【深度好文】使用阶跃负载测试来评估稳压器

本文作者：Masashi Nogawa，Qorvo资深系统工程师

人们正在提供采用碳化硅 (SiC) 和氮化镓(GaN) 技术的各种宽带隙 (WBG) 晶体管….工程师正忙于更换和更新使用传统晶体管（通常为超结硅MOSFET和绝缘栅双极晶体管 IGBT）的过时PC板。

该升级流程中的一个热门领域为用于脉冲负载应用（如激光脉冲驱动器、灯光信标和RF发射器）的电源。在本文中，将脉冲额定功率在48V输出时为1kW的稳压器 (VR) 用作被测器件，以评估稳定性，但所述技术也适用于电压更低或更高的稳压器和不同的功率水平。

根据脉冲操作的性质，基于在线时间占空比，用户可以看到功耗降低的优势。这意味着散热/冷却设计比始终在线的100%运行占空比功率系统（其中冷却系统可能是整个装置的主要部分）更省事。

相比之下，脉冲负载应用在电路设计阶段有其自己独特的挑战，这包括稳压器控制回路稳定性测试。在评估始终在线的系统时，很容易连接矢量网络分析仪 (VNA) 或频率响应分析仪 (FRA)，并运行扫频几分钟以获得波特图，即用于评估稳定性的一对增益和相位曲线。 

由于用于脉冲负载的稳压器采用最小冷却设计，因此它无法在100%的在线占空比下运行，否则原型可能在稳定性测量扫描期间出现危险的过热。即使您可以使用门控信号输入端口设法将VNA/FRA同步到您的脉冲负载，一旦原型脉冲负载崩溃和极端浪涌进入分析仪的输入端口，便很有可能损坏昂贵的VNA/FRA。

在本文中，我们研究了用于替代波特图的其他著名的回路稳定性测试技术，即阶跃响应测试。

按照教科书，当施加瞬态负载脉冲时，可通过观察输出电压偏移来评估 VR 控制回路的稳定性。

然而，许多工程师忽略了写在教科书同一页上的重要声明，那就是“…仅适用于小信号”，同时也应该强调大信号可能带来的问题。这种情况以及可能展现出的复杂性很普通，并不限于采用WBG设备和48V输出VR的大功率系统。

“小信号”与“大信号”条件之间的关键区别在于稳压器的直流偏置点在瞬态过程中是否显著移动。例如，使用0A-3A的负载瞬变测试5V/3A输出VR（许多VR数据手册中可以找到该条件的各种曲线图）为大信号瞬变测试。

运行大信号测试时，位于VR控制器芯片或VR板内部和外部的许多电路节点在0A到3A的阶跃负载期间会发生转换。转换率实际上是有限的，它们可能掩盖不稳定的行为，在最坏的情况下，VR系统可能出现振荡，即使在该0A-3A的阶跃负载下未出现任何问题。

小信号和大信号之间并没有明确的界限，但在本文中，我们在输出电压中使用 0.5% 的扰动，这足以视为小信号。

对于更多信息，参考文献充分解释了瞬态（阶跃）响应、相位裕度、稳定性及其与波德图的关系。

在本文所述的测试中，我们使用了以下设备。

• Qorvo内部20A瞬态发生器，作为假脉冲负载

测试设置如图1所示。

图1：VR稳定性评估的测试设置

我们按以下方式设置此“小信号、负载瞬变”测试：

ACT43850 RFPoL VR通过其48V调压输出来供电，通过TPR4000电压探针来监测输出。负载电流分别以0A-20A-0A阶跃，以使用Qorvo内部瞬态发生器来模拟目标脉冲负载，但通过“PicoStepper”瞬态发生器来叠加连续的额外2A，从而能够在ACT43850上产生0A-20A-22A-20A-0A的有效负载。

然后对ACT43850输出电压响应进行检查。

图2显示了在测试中观察到的波形。初始0A-20A阶跃代表“大信号”，后续20A-22A和 22A-20A阶跃为“小信号”，组合负载周期的总持续时间设为1ms。

图2：在小信号瞬态负载响应测试中捕获的电压波形

我们观察到第一个瞬态阶跃造成大电压偏移并在100µs内稳定下来。在500µs的时间点后，额外2A阶跃造成约+/-200mV的偏差，并在大约50µs内稳定下来。这约占48V输出的0.5%，所以我们有理由将其称为“小信号”。

相比之下，0-20A阶跃驱动DC偏置点远离其正常工作范围，并更改回路响应。产生的非线性指示是大阶跃电压偏移0A-20A和20A-0A的不同幅度与持续时间。请注意，由于使用了Rogowski AC电流探头，通道3的DC电流水平在测量期间有所降低。

2A小负载阶跃的电压偏移形状指示接近最佳阻尼，相位裕度约为60度，同时调节电流为 20A，这是一个良好结果。 

在设置测试的时候，出现了图3中所示的响应。初始0A-20A偏移异常过冲，似乎表明欠阻尼，结果发现是由于ACT43850的上游电源进入限流状态所导致。这是大信号脉冲负载测试可能出现的杂散结果示例。因为在最终测试中，2A负载阶跃显示了小偏移和最佳阻尼。

大信号的可能效应众多，图3只是一个示例。

图3：初始负载阶跃的VR输出电压的异常过冲由上游电源限流造成

教科书告诉我们将阶跃负载（瞬态）响应作为回路稳定性评估工具时要满足的另一个重要条件：即足够快地使用上升沿和下降沿，与评估的回路带宽进行比较，我们也清楚 Rogowski探针的速度不足以捕获PicoStepper的快速沿。  

但是，通过使用EMC探针，我们可以监测PicoStepper的实际速度，以确认速度足够快。图4显示了EMC探针所指示的波形。

图4：EMC探针波形图

通道4显示00B H-场强探针的响应，并放大至接近2A负载阶跃的下降沿，显示sub-1ns脉冲。  通过使用示波器的集成功能，我们可以通过Rogowski探针清楚地看到实际电流的形状，我们知道该绝对值为2A下降沿。

通过在通道4 EMC探针信号上运行FFT，如图5所示，我们可以看到小信号频带宽度。  这是完全相同的波形，但增加了FFT结果。此FFT结果表明，PicoStepper瞬态具有 700MHz的带宽，足以精确地评估ACT43850约100kHz的回路带宽。

请注意，在图2中，我们在700us的时间点上看到了CH1上的尖峰。图4是该尖峰的放大图。然后在CH2上，我们看到此时过冲尚未开始。

图5：通道4 EMC探针信号的FFT

在了解小信号与大信号瞬态负载测试的区别后，用于脉冲负载的稳压器可成功地评估回路稳定性。

理论上，该技术适用于高达100MHz的控制回路带宽，而稳压器则远超于该需求。

脉冲负载稳定性测试可用于与末端负载具有长连接的应用，以识别由于这些连接而可能导致的振铃，高测量带宽可能有助于在实际功率分配网络中评估稳压器的稳定性。

Qorvo正使用Picotest的新原型软件从这些小信号响应波形（图6）中提取更详细的控制回路信息。

参考文献

*Ref1 - 功率电子设备的基本原理：Robert Erickson，施普林格出版社