Comprensione e misurazione del tempo di ripristino transitorio dell'alimentazione

Questo tipo di file include grafici e schemi ad alta risoluzione quando applicabile.

Bob Zollo, Product Planner, Divisione Energia ed Energia, Keysight Technologies
Il tempo di ripristino transitorio dell'alimentazione è la specifica di un alimentatore CC. Descrive la velocità con cui l'alimentatore si riprenderà da una condizione di carico transitorio sull'uscita dell'alimentatore.   


Con un alimentatore ideale funzionante a tensione costante, la tensione di uscita rimarrebbe al valore programmato indipendentemente dalla corrente assorbita dall'alimentatore dal carico. Un vero alimentatore, tuttavia, non può mantenere la sua tensione programmata quando si verifica un rapido aumento della corrente di carico.


In risposta a un rapido aumento della corrente, la tensione di alimentazione si abbassa finché il circuito di retroazione della regolazione dell'alimentazione non riporta la tensione al valore programmato. Il tempo impiegato dal valore per tornare al valore programmato è il tempo di ripristino del transitorio di carico (Fig. 1).


Si noti che se il transitorio di carico-corrente non è un transitorio veloce, ma sale o scende piuttosto lentamente, il circuito di retroazione della regolazione dell'alimentazione sarà sufficientemente veloce da regolare e mantenere la tensione di uscita senza alcun transitorio visibile. Quando la velocità del fronte del transitorio di corrente aumenta, supera la capacità del circuito di retroazione dell'alimentatore di "mantenere il passo" e mantenere costante la tensione, determinando un evento transitorio del carico.


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1. Il tempo di ripristino del transitorio di carico è il tempo "X" in cui la tensione di uscita si ripristina e rimane entro "Y" millivolt della tensione di uscita nominale in seguito a una variazione graduale "Z" dell'amp nella corrente di carico. "Y" è la banda di ripristino specificata o la banda di stabilizzazione e "Z" è la variazione della corrente di carico specificata, in genere uguale alla corrente nominale a pieno carico dell'alimentazione.




Il tempo di ripristino del transitorio di alimentazione viene misurato dall'inizio del transitorio di carico-corrente fino a quando l'alimentazione si assesta e raggiunge nuovamente il valore programmato. Ma ogni volta che si specifica "raggiunge un valore programmato", è necessario specificare entro una banda di tolleranza. Pertanto, il tempo di ripristino del transitorio del carico di alimentazione è specificato come il tempo necessario per raggiungere una banda di tolleranza di una certa percentuale del valore programmato, una certa percentuale dell'uscita nominale, o anche una banda di tolleranza di tensione fissa. La tabella mostra alcuni esempi di specifiche dei transitori di alimentazione.  


Osservando l'alimentatore Keysight N7952A, è possibile notare che la banda di tolleranza del tempo di ripristino transitorio è specificata come 100 mV. Quando si misura il tempo di ripristino del transitorio, se la tensione di uscita è 25 V, è necessario misurare il tempo impiegato dall'alimentazione per recuperare entro ±100 mV intorno a 25 V.






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Gli amplificatori di potenza esemplificano perché il tempo di recupero transitorio è importante


Diamo un'occhiata a un'applicazione di esempio in cui la risposta transitoria dell'alimentazione CC è importante. Quando si testano amplificatori di potenza (PA) utilizzati nei dispositivi mobili (come telefoni cellulari o tablet), è molto importante che la tensione di polarizzazione CC nel dispositivo in prova (DUT) rimanga a una tensione fissa e stabile. Se la tensione dovesse fluttuare o cambiare durante il test, le condizioni di test corrette non vengono mantenute e le misurazioni di potenza RF risultanti sul DUT non saranno corrette.     


In questo caso della PA la situazione è esacerbata dal profilo attuale. Il PA trasmette in impulsi e quindi preleva la corrente dalla polarizzazione CC in impulsi. Questi impulsi hanno velocità di fronte veloci e quindi presentano transitori di carico significativi sulla polarizzazione c.c. Ogni volta che il PA si accende, assorbe una corrente elevata, che riduce l'alimentazione di polarizzazione CC. L'alimentazione si ripristinerà rapidamente; tuttavia, durante il tempo in cui l'alimentatore risponde al transitorio, la sua tensione non è al valore desiderato per la prova. Una volta ripristinata l'alimentazione, il PA funzionerà nelle giuste condizioni di test e quindi diventa possibile effettuare le misurazioni di potenza RF corrette. 


Con miliardi di PA prodotti e testati ogni anno, la produttività dei test è fondamentale. Se l'alimentatore si ripristina lentamente, aumenta il tempo di test al PA e quindi rallenta la produttività dei test di produzione. I produttori di PA, quindi, cercano alimentatori a ripristino rapido per garantire che possano ottenere la massima produttività dei test di produzione. Guardano alla specifica del tempo di ripristino transitorio per determinare quale fornitura sarà la migliore per la loro applicazione. Pertanto, il fornitore di alimentatori deve essere in grado di misurare con precisione il tempo di ripristino transitorio dell'alimentatore per presentare le migliori specifiche possibili ai produttori di sistemi di amplificazione.


Misurazione del tempo di recupero transitorio


La parte difficile della misurazione del tempo di ripristino del transitorio del carico è determinare quando la tensione entra nella banda di tolleranza. Il voltmetro medio può facilmente misurare se la tensione di uscita CC rientra nella banda di tolleranza. È uno strumento lento, tuttavia, e non sarà in grado di campionare abbastanza velocemente da fornire una misurazione del tempo significativa con una risoluzione adeguata per dire quanto velocemente la tensione è entrata nella banda di tolleranza.


Guardando oltre il voltmetro medio, alcuni voltmetri ad alta velocità possono misurare decine di migliaia di letture al secondo con una precisione sufficiente per rilevare quando la tensione di alimentazione entra con precisione nella banda di tolleranza. Uno di questi esempi è il multimetro digitale 34470A di Keysight. Con il miglioramento dei tempi di ripristino transitorio, questi voltmetri, anche acquisendo dati a 50 kcampioni/s, diventano troppo lenti per acquisire il tempo di ripristino rapido.  


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Un ambito sarebbe uno strumento più ragionevole da utilizzare, in quanto può facilmente acquisire e visualizzare transitori molto veloci. L'ambito medio, tuttavia, ha in genere una precisione verticale dell'1%-3% e una risoluzione di 8 bit. Di conseguenza, fatica a fornire una precisione verticale e una risoluzione sufficienti per individuare con precisione quando la tensione di uscita CC raggiunge la stretta banda di tolleranza. 


Mettendo l'oscilloscopio in accoppiamento CA, si tenta di ingrandire la banda di tolleranza. Tuttavia, verrà introdotto un errore poiché il livello CC stabilizzato post-transitorio sarà distorto a causa dell'accoppiamento CA. Ciò potrebbe rendere difficile identificare con precisione il livello CC post-transitorio all'interno della banda di tolleranza poiché la tensione CC stabilizzata viene "abbassata" dall'accoppiamento CA.


Un'altra opzione sarebbe quella di lasciare l'oscilloscopio in accoppiamento CC, ma utilizzare un ampio offset CC sull'oscilloscopio per ingrandire la banda di tolleranza. Funziona bene con le uscite CC nel livello da 0 a 10 V, ma quando l'uscita CC aumenta, anche l'offset CC deve aumentare. Con grandi offset c.c., anche i volt/divisioni minimi devono aumentare per supportare l'offset c.c. grande, con conseguente minore risoluzione della misurazione sulla banda di tolleranza.  


Per gli alimentatori con una banda di tolleranza di tensione più ampia, gli oscilloscopi possono essere utilizzati per effettuare queste misurazioni. In effetti, gli oscilloscopi Keysight offrono un software di analisi della potenza integrato che effettua misurazioni della risposta transitoria tramite operazioni chiavi in ​​mano (consultare www.keysight.com/find/scopes-power). Gli oscilloscopi con le prestazioni più elevate, con 10 o 12 bit di risoluzione, hanno una maggiore flessibilità e front-end più avanzati, consentendo loro di effettuare queste misurazioni anche per strette bande di tolleranza di tensione. Tuttavia, questi ambiti non sono così comuni sul banco di laboratorio medio.


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2. Questa schermata dell'analizzatore di alimentazione Keysight IntegraVision mostra la misurazione del tempo di ripristino del transitorio di tensione.




Per gli alimentatori con bande di tolleranza di tensione strette, un analizzatore della qualità dell'alimentazione ad alte prestazioni può eseguire questa misurazione, a condizione che abbia capacità di misurazione single-shot. La misurazione single-shot è necessaria perché il transitorio è un evento single-shot attivato dal fronte di salita dell'impulso di corrente. In alternativa, se è possibile generare un transitorio di corrente di carico ripetitivo, come un'onda quadra in cui la corrente salta tra valori di corrente alti e bassi, è possibile utilizzare un analizzatore di potenza senza misurazione single-shot per acquisire l'evento transitorio ripetuto.  


Gli analizzatori di potenza ad alte prestazioni hanno una precisione verticale migliore dello 0.1%, una risoluzione a 16 bit e velocità di digitalizzazione di 1 Msample/s o più. Questa combinazione di digitalizzazione rapida e misurazione accurata della tensione consente di misurare facilmente la risposta transitoria del carico dell'alimentatore e identificare quando viene raggiunta la banda di tolleranza stretta. Poiché un analizzatore di potenza può misurare direttamente la tensione e la corrente senza sonde, è possibile impostare rapidamente questa misurazione per l'attivazione dal fronte di salita della corrente e quindi misurare il tempo di ripristino della tensione.  


Un analizzatore di potenza con questa capacità è l'IntegraVision Power Analyzer (Fig. 2), che fornisce la digitalizzazione di 5 Mcampioni/s a 16 bit contemporaneamente su tensione e corrente, con una precisione di base dello 0.05%, il tutto visualizzato su un ampio touchscreen a colori . La misurazione viene eseguita su un'alimentazione a 10 V pulsata tra 2 A e 8 A. La sua banda di recupero transitorio è ±100 mV.


Utilizzando i due indicatori Y di IntegraVision, è possibile identificare la parte superiore (10.1 V) e quella inferiore (9.9 V) della banda di tolleranza della tensione. Quindi, con i due marker X, è possibile identificare quando il transitorio inizia sulla forma d'onda della corrente con il marker X1 e quando la tensione entra nella banda di tolleranza con il marker X2. La differenza di tempo tra X1 e X2 è il tempo di recupero transitorio, misurato come 90.4 μs.

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