【深度好文】使用階躍負載測試來評估穩(wěn)壓器

本文作者：Masashi Nogawa，Qorvo資深系統(tǒng)工程師

人們正在提供采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵(GaN) 技術(shù)的各種寬帶隙 (WBG) 晶體管….工程師正忙于更換和更新使用傳統(tǒng)晶體管（通常為超結(jié)硅MOSFET和絕緣柵雙極晶體管 IGBT）的過時PC板。

該升級流程中的一個熱門領(lǐng)域為用于脈沖負載應(yīng)用（如激光脈沖驅(qū)動器、燈光信標(biāo)和RF發(fā)射器）的電源。在本文中，將脈沖額定功率在48V輸出時為1kW的穩(wěn)壓器 (VR) 用作被測器件，以評估穩(wěn)定性，但所述技術(shù)也適用于電壓更低或更高的穩(wěn)壓器和不同的功率水平。

挑戰(zhàn)在哪里？

根據(jù)脈沖操作的性質(zhì)，基于在線時間占空比，用戶可以看到功耗降低的優(yōu)勢。這意味著散熱/冷卻設(shè)計比始終在線的100%運行占空比功率系統(tǒng)（其中冷卻系統(tǒng)可能是整個裝置的主要部分）更省事。

相比之下，脈沖負載應(yīng)用在電路設(shè)計階段有其自己獨特的挑戰(zhàn)，這包括穩(wěn)壓器控制回路穩(wěn)定性測試。在評估始終在線的系統(tǒng)時，很容易連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 或頻率響應(yīng)分析儀 (FRA)，并運行掃頻幾分鐘以獲得波特圖，即用于評估穩(wěn)定性的一對增益和相位曲線。

由于用于脈沖負載的穩(wěn)壓器采用最小冷卻設(shè)計，因此它無法在100%的在線占空比下運行，否則原型可能在穩(wěn)定性測量掃描期間出現(xiàn)危險的過熱。即使您可以使用門控信號輸入端口設(shè)法將VNA/FRA同步到您的脈沖負載，一旦原型脈沖負載崩潰和極端浪涌進入分析儀的輸入端口，便很有可能損壞昂貴的VNA/FRA。

在本文中，我們研究了用于替代波特圖的其他著名的回路穩(wěn)定性測試技術(shù)，即階躍響應(yīng)測試。

小信號與大信號

按照教科書，當(dāng)施加瞬態(tài)負載脈沖時，可通過觀察輸出電壓偏移來評估 VR 控制回路的穩(wěn)定性。

然而，許多工程師忽略了寫在教科書同一頁上的重要聲明，那就是“…僅適用于小信號”，同時也應(yīng)該強調(diào)大信號可能帶來的問題。這種情況以及可能展現(xiàn)出的復(fù)雜性很普通，并不限于采用WBG設(shè)備和48V輸出VR的大功率系統(tǒng)。

“小信號”與“大信號”條件之間的關(guān)鍵區(qū)別在于穩(wěn)壓器的直流偏置點在瞬態(tài)過程中是否顯著移動。例如，使用0A-3A的負載瞬變測試5V/3A輸出VR（許多VR數(shù)據(jù)手冊中可以找到該條件的各種曲線圖）為大信號瞬變測試。

運行大信號測試時，位于VR控制器芯片或VR板內(nèi)部和外部的許多電路節(jié)點在0A到3A的階躍負載期間會發(fā)生轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換率實際上是有限的，它們可能掩蓋不穩(wěn)定的行為，在最壞的情況下，VR系統(tǒng)可能出現(xiàn)振蕩，即使在該0A-3A的階躍負載下未出現(xiàn)任何問題。

小信號和大信號之間并沒有明確的界限，但在本文中，我們在輸出電壓中使用 0.5% 的擾動，這足以視為小信號。

對于更多信息，參考文獻充分解釋了瞬態(tài)（階躍）響應(yīng)、相位裕度、穩(wěn)定性及其與波德圖的關(guān)系。

實際測試

在本文所述的測試中，我們使用了以下設(shè)備。

? Qorvo的RFPoL ACT43850原型，作為48V/1kW輸出VR。ACT43850使用基于WBG晶體管的半橋輸出級?帶供電軌探針的示波器 (Tektronix MSO6)：TPR4000，作為VR輸出電壓監(jiān)測器? Picotest的PicoStepper（原型選項之一），作為超快速2A瞬態(tài)負載? PEM的Rogowsk探針，CTW Ultra-mini CWT03，作為線圈電流監(jiān)測器? Beehive electronics的EMC 100B探針，作為小階躍電流監(jiān)測器

? Qorvo內(nèi)部20A瞬態(tài)發(fā)生器，作為假脈沖負載

測試設(shè)置如圖1所示。

圖1：VR穩(wěn)定性評估的測試設(shè)置

評估策略

我們按以下方式設(shè)置此“小信號、負載瞬變”測試：

ACT43850 RFPoL VR通過其48V調(diào)壓輸出來供電，通過TPR4000電壓探針來監(jiān)測輸出。負載電流分別以0A-20A-0A階躍，以使用Qorvo內(nèi)部瞬態(tài)發(fā)生器來模擬目標(biāo)脈沖負載，但通過“PicoStepper”瞬態(tài)發(fā)生器來疊加連續(xù)的額外2A，從而能夠在ACT43850上產(chǎn)生0A-20A-22A-20A-0A的有效負載。

然后對ACT43850輸出電壓響應(yīng)進行檢查。

小信號瞬態(tài)結(jié)果

圖2顯示了在測試中觀察到的波形。初始0A-20A階躍代表“大信號”，后續(xù)20A-22A和 22A-20A階躍為“小信號”，組合負載周期的總持續(xù)時間設(shè)為1ms。

圖2：在小信號瞬態(tài)負載響應(yīng)測試中捕獲的電壓波形

我們觀察到第一個瞬態(tài)階躍造成大電壓偏移并在100μs內(nèi)穩(wěn)定下來。在500μs的時間點后，額外2A階躍造成約+/-200mV的偏差，并在大約50μs內(nèi)穩(wěn)定下來。這約占48V輸出的0.5%，所以我們有理由將其稱為“小信號”。

相比之下，0-20A階躍驅(qū)動DC偏置點遠離其正常工作范圍，并更改回路響應(yīng)。產(chǎn)生的非線性指示是大階躍電壓偏移0A-20A和20A-0A的不同幅度與持續(xù)時間。請注意，由于使用了Rogowski AC電流探頭，通道3的DC電流水平在測量期間有所降低。

2A小負載階躍的電壓偏移形狀指示接近最佳阻尼，相位裕度約為60度，同時調(diào)節(jié)電流為 20A，這是一個良好結(jié)果。

在設(shè)置測試的時候，出現(xiàn)了圖3中所示的響應(yīng)。初始0A-20A偏移異常過沖，似乎表明欠阻尼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是由于ACT43850的上游電源進入限流狀態(tài)所導(dǎo)致。這是大信號脈沖負載測試可能出現(xiàn)的雜散結(jié)果示例。因為在最終測試中，2A負載階躍顯示了小偏移和最佳阻尼。

大信號的可能效應(yīng)眾多，圖3只是一個示例。

圖3：初始負載階躍的VR輸出電壓的異常過沖由上游電源限流造成

深入見解

教科書告訴我們將階躍負載（瞬態(tài)）響應(yīng)作為回路穩(wěn)定性評估工具時要滿足的另一個重要條件：即足夠快地使用上升沿和下降沿，與評估的回路帶寬進行比較，我們也清楚 Rogowski探針的速度不足以捕獲PicoStepper的快速沿。

但是，通過使用EMC探針，我們可以監(jiān)測PicoStepper的實際速度，以確認速度足夠快。圖4顯示了EMC探針?biāo)甘镜牟ㄐ巍?/span>

圖4：EMC探針波形圖

通道4顯示00B H-場強探針的響應(yīng)，并放大至接近2A負載階躍的下降沿，顯示sub-1ns脈沖。 通過使用示波器的集成功能，我們可以通過Rogowski探針清楚地看到實際電流的形狀，我們知道該絕對值為2A下降沿。

通過在通道4 EMC探針信號上運行FFT，如圖5所示，我們可以看到小信號頻帶寬度。 這是完全相同的波形，但增加了FFT結(jié)果。此FFT結(jié)果表明，PicoStepper瞬態(tài)具有 700MHz的帶寬，足以精確地評估ACT43850約100kHz的回路帶寬。

請注意，在圖2中，我們在700us的時間點上看到了CH1上的尖峰。圖4是該尖峰的放大圖。然后在CH2上，我們看到此時過沖尚未開始。

圖5：通道4 EMC探針信號的FFT

弱相位裕度示例

當(dāng)故意降級回路時，我們將看到如下圖所示的振鈴。 圖6： 由圖2中的小信號階躍響應(yīng)重建的波德圖的快照（由Picotest提供）

結(jié)論和后續(xù)步驟

在了解小信號與大信號瞬態(tài)負載測試的區(qū)別后，用于脈沖負載的穩(wěn)壓器可成功地評估回路穩(wěn)定性。

理論上，該技術(shù)適用于高達100MHz的控制回路帶寬，而穩(wěn)壓器則遠超于該需求。

脈沖負載穩(wěn)定性測試可用于與末端負載具有長連接的應(yīng)用，以識別由于這些連接而可能導(dǎo)致的振鈴，高測量帶寬可能有助于在實際功率分配網(wǎng)絡(luò)中評估穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。

Qorvo正使用Picotest的新原型軟件從這些小信號響應(yīng)波形（圖6）中提取更詳細的控制回路信息。

參考文獻

*Ref1 - 功率電子設(shè)備的基本原理：Robert Erickson，施普林格出版社

?