Respuesta transitoria de carga – mejorar las pruebas de estabilidad de bucle

Su misión

Validar el diseño de fuentes de alimentación es necesario para garantizar la estabilidad de bucle así como un funcionamiento correcto y estable. En la actualidad, la respuesta en frecuencia del bucle es la principal opción para medir la estabilidad de bucle de un convertidor. La respuesta en frecuencia del bucle utiliza el análisis de CA de señales pequeñas, que consiste en inyectar una pequeña señal sinusoidal en el bucle para medir la ganancia y la fase en un amplio rango de frecuencias de un bucle abierto.

Los valores medidos de ganancia y fase se representan en relación a la frecuencia en un diagrama de Bode para obtener directamente el margen de ganancia, el margen de fase y la frecuencia cruzada. En las pruebas de respuesta de carga escalonada se aplica un escalón de corriente y a continuación se mide y analiza la respuesta de tensión.

Las medidas de señales grandes se ejecutan en un bucle cerrado, que son sistemas muy diferentes a los de bucle abierto. La tensión de salida se debe analizar en el dominio temporal para estimar y determinar la estabilidad del convertidor. En el ejemplo de la figura 1 se utiliza un convertidor reductor para verificar la respuesta transitoria de carga.

Cuando la corriente de carga cambia rápidamente es fundamental que el generador de escalones de carga esté conectado a un terminal de salida del convertidor. Puesto que las señales PWM controlan la fuente de alimentación en bucles de control, midiendo el ciclo de trabajo positivo durante el escalón de carga se puede mejorar la respuesta transitoria de carga visualizando efectos desconocidos.

Para esta medida se necesita un instrumento que permita medir el ciclo de trabajo positivo con altas frecuencias de muestreo durante todo el periodo de adquisición. La medida de ciclo en ciclo se debe visualizar en forma de traza a lo largo del tiempo.

La solución Rohde & Schwarz

El osciloscopio R&S®MXO 5 es la herramienta ideal para esta exigente tarea, ya que es capaz de medir el ciclo de trabajo positivo durante un largo periodo de registro incluso con altas frecuencias de conmutación de PWM. Para ello se necesita suficiente ancho de banda, una alta frecuencia de muestreo y una gran cantidad de espacio de memoria. Todos los ciclos de trabajo positivos de una adquisición se pueden utilizar para visualizar variaciones de una adquisición completa en una pista. Las pistas de cada medida en un ciclo individual se pueden mostrar en relación al tiempo. En la figura 2 se muestra una forma de onda de transitorio de carga típica incluida en la traza de la pista.

En la figura 2 se muestran las trazas de tensión y corriente de salida estándar para tres escalones de carga consecutivos. Los ciclos de trabajo positivos para la salida del controlador se visualizan también y se utilizan para crear una pista. En teoría, la traza de pista refleja la forma de onda de la tensión de salida, ya que el ciclo de trabajo regula la fuente de alimentación de modo que mantenga la tensión de salida constante.

Aplicación

Un convertidor de conmutación CC/CC en una topología de puente completo con rectificación síncrona muestra la función de pista. El convertidor aislado opera a una frecuencia de conmutación de 100 kHz y convierte la tensión de entrada de 48 V en una tensión de salida de 12 V. La corriente de salida está ajustada a un máximo de 8 A y el escalón de carga de salida se genera con una carga electrónica.

Configuración de dispositivo

Antes de aplicar los escalones de carga en la salida del convertidor deben llevarse a cabo varias tareas para visualizar el ciclo de trabajo positivo como una traza de pista:

• realizar una configuración de canales con selección de sonda
• definir un disparo para detectar eventos de escalón de carga en la salida del controlador
• activar la función de medida del ciclo de trabajo positivo y definir los niveles porcentuales de tensión de referencia (p. ej. 20 %, 50 %, 80 %)
• definir una frecuencia de muestreo suficiente ≥100 MS/s para medir con exactitud una señal PWM con flancos pendientes
• seleccionar una longitud de registro suficiente para capturar una secuencia completa (como mínimo un escalón de corriente de bajo a alto y otro de alto a bajo)
• activar la función de pista en el submenú de medida y la optimización de escala vertical

Medida de la respuesta transitoria de carga

Tras finalizar la configuración de medida, configure la carga electrónica para aplicar un escalón de carga entre un valor de corriente bajo (20 % de la carga máxima) y un valor de corriente alto (80 % de la carga máxima). Tan pronto como el disparo detecte una condición de disparo válida aparecerán en pantalla las trazas tal y como se muestra en la figura 3. La ventana de arriba muestra la adquisición de dos escalones de carga en cada dirección. La tensión de salida se mide en el canal 1 y la corriente de salida se mide en el canal 2. La señal de control PWM (canal 3) y la traza de pista para el ciclo de trabajo positivo también se muestran.

La ventana de zoom indica que la tensión de salida cae solamente durante unos 300 μs antes de restablecer la operación en régimen permanente. La desviación entre las cargas de 20 % y 80 % en régimen permanente es de solo 2,4 mV, tal y como se mide con la función de cursor. La traza de pista muestra un nivel diferente (26 % en lugar de 24 %) después de que el convertidor pase al régimen permanente. La desviación revela un efecto que no corresponde a lo esperado según la figura 2. De acuerdo a la definición y a la teoría, el ciclo de trabajo debería ser independiente de la corriente de carga.

Revisando la teoría de control se deduce que la desviación del 2 % procede de pérdidas de conducción más altas provocadas por una corriente de salida más alta. Estas pérdidas más altas se generan principalmente en el transformador y el rectificador de salida. Las pérdidas adicionales deben ecualizarse incrementando el ciclo de trabajo positivo. La función de pista permite realizar esta compleja tarea de medida.

Resumen

El osciloscopio R&S®MXO 5 es perfecto para verificar transitorios de carga en todo tipo de convertidores de potencia con control por PWM, donde se necesita un análisis más profundo para detectar detalles del comportamiento del sistema. Sus excelentes características, como una extensa memoria y las funciones gráficas de pista, ayudan a los usuarios a detectar y a comprender detalles del funcionamiento del convertidor.