Teholähde on jokaisen sähkölaitteen olennainen osa. Laitteiden monimutkaistumisen myötä, elektroniikasta on tullut yhä herkempää, mikä tarkoittaa korkeampia vaatimuksia teholähteen suunnitteluun ja testaukseen. Yksi tärkeimmistä testeistä on teholähteen säätöpiirin stabiilisuuden varmistaminen.
Perinteisesti säätöpiirin stabiilisuutta on tarkasteltu askelvasteen avulla, minkä perusteella on voitu päätellä, onko säätöpiiri stabiili ja riittävän nopea. Kyseinen menetelmä on ollut teknisesti vaativa ja edellyttänyt vankkaa perehtyneisyyttä aiheeseen. Pelkän askelvasteen havainnoinnin perusteella on vaikea arvioida, parantavatko muutokset virtalähteen suunnittelussa säätöpiirin suorituskykyä.
Säätöpiirin stabiilisuus riippuu myös teholähteen toimintatilasta. Säätöpiiri saattaa olla stabiili kovassa kuormituksessa, mutta muuttua lähes epästabiiliksi matalassa kuormituksessa. Tästä johtuen eri toimintatilojen verifiointi on oleellinen osa virtalähteiden mittauksissa.
Säätöpiirejä on tutkittu jo vuosikymmeniä. Luotettava menetelmä stabiilisuuden todentamiseksi on suljetun silmukan taajuus- ja vaihevasteen mittaus (CLR), jota kuvataan alla olevassa Bode-diagrammissa. Aikaisemmin suljetun silmukan taajuus- ja vaihevasteen mittaukseen tarvittiin erillinen laite, kuten vektoripiirianalysaattori. Käytön esteeksi muodostui usein laitteen hinta ja testi- set-upin monimutkaisuus. Nykyaikaisissa oskilloskoopeissa on signaaligeneraattori ja tehokas signaalin prosessointikyvykkyys. Näiden ansiosta on mahdollista suorittaa virtalähteen suljetun silmukan taajuus- ja vaihevasteen mittaus automatisoidusti samalla oskilloskoopilla, jota tuotekehitysinsinööri käyttää päivittäisissä muissa teholähteiden mittauksissa.
Bode-diagrammitoiminto on saatavana nykyaikaiseen oskilloskooppiin ohjelmisto-optiona. Se on kustannustehokas vaihtoehto laitehankintoja suunniteltaessa.
BODE-DIAGRAMMISTA
Boden diagrammi sisältää kaksi logaritmiselle taajuusasteikolle piirrettyä kuvaajaa, joita kutsutaan vaihe- ja amplitudivasteeksi. Vaihevasteen avulla on mahdollista selvittää järjestelmän tulo- ja lähtösuureen välinen viive. Vaihe-siirto ilmaistaan yleensä asteina tai radiaaneina. Amplitudivaste ilmaisee systeemissä tapahtuvaa vahvistusta taajuuden funktiona, ja se on esitetty yleensä desibeleinä. Kuvassa 1 on esimerkki Boden diagrammin vaihe- ja amplitudivasteesta.
Kuva 1. Säätöpiirin vahvistuksen mittaus.
Amplitudi- ja vaihevasteen avulla on mahdollista mitata, onko säätöpiiri stabiili vai epästabiili ja kuinka suuri on vahvistus- ja vaihemarginaali.
Vaihevasteesta on mahdollista nähdä jakotaajuus, jolla vaihe saavuttaa -180 asteen vaihesiirron. Kyseisen taajuuden kohdalta voidaan amplitudivasteen kuvaajalta katsoa taajuutta vastaava vahvistus. Jos vahvistus on 0dB, järjestelmä on epästabiili. Jos vahvistus on pienempi kuin 0dB, järjestelmä on stabiili. Vahvistusmarginaali on 0dB:n ja -180 asteen vaihesiirtoa vastaavan vahvistuksen arvon välinen erotus. Vahvistusmarginaali ilmoittaa, kuinka paljon piirin vahvistusta on mahdollista lisätä ennen kuin suljetusta systeemistä tulee epästabiili.
Toinen samankaltainen stabiiliuden mitta on vaihemarginaali. Amplitudivaste osoittaa taajuuden, jossa vahvistuksen arvo on 0dB. Tutkimalla vaihevastetta kyseisen taajuuden kohdalla on mahdollista selvittää taajuudella tapahtuva vaihesiirto. Systeemi on stabiili, jos vaihesiirto on suurempi kuin -180 astetta. Muussa tapauksessa systeemi on epästabiili. Vaihemarginaali on 0dB:ä vastaavan vaiheen arvon ja -180 asteen välinen erotus. Vaihemarginaali kertoo, kuinka paljon avoimen piirin vaihesiirtoa on mahdollista lisätä ennen kuin suljetusta systeemistä tulee epästabiili.
Oskilloskoopissa Bode-diagrammimittaus on toteutettu sisäänrakennetun generaattorin ja kahden analogisen mittauskanavan avulla. Generaattorilla aikaansaatu signaali syötetään säätöpiiriin ja sisään tulevaa ja lähtevää signaalia mitataan oskilloskoopin kahdella kanavalla
Säätöpiirin mittaustulos sisältää tiedon signaalin vahvistuksesta ja vaiheesta. Oskilloskooppi pyyhkäisee automaattisesti koko asetetun taajuusalueen läpi ja näyttää amplitudi- ja vaihevasteet laitteen näytöllä.
Tässä artikkelissa kuvataan tärkeimmät asiat, jotka tulee ottaa huomioon tehtäessä tarkkoja Boden diagrammimittauksia hakkurivirtalähteiden säätöpiirin stabiiliutta tarkasteltaessa.
A) KYTKENTÄPISTEEN VALINTA
Säätöpiirin vastetta mitattaessa silmukkaa on muokattava sopi-vasta kohdasta siten, että oskilloskoopin generaattorista tuleva signaali voidaan syöttää sisään silmukkaan. Yksinkertaisin tapa toteuttaa tämä on lisätä pieniresistanssinen vastus säätöpiiriin varmistamaan kytkentäpiste ja silmukan normaali toiminta. Oskilloskoopin signaaligeneraattorista tuleva signaali syötetään säätöpiiriin vastuksen kautta ja samaan aikaan sisään tulevaa signaalia ja säätöpiirin vastetta mitataan virtalähteen ulostulosta oskilloskoopin analogisten kanavien avulla. Säätöpiiriin lisättävän vastuksen sijainnilla on tärkeä merkitys säätöpiirin impedanssin kannalta. Alla kuvassa 2 on esitetty tyypillinen vastuksen kytkentäpiste hakkurivitalähteen säätöpiirissä.
Kuva 2. Kytkentäpisteen valinta.
B) EROTUSMUUNTAJA
Erotusmuuntaja kytketään oskilloskoopin sisäisen signaaligeneraattorin ja hakkurivirta-lähteen säätöpiirin väliin, jotta signaaligeneraattorin matalatasoinen signaali voidaan kytkeä säätöpiiriin. Tässä mittausmetodissa on erittäin tärkeää, että erotusmuuntaja ei vaikuta säätöpiirin normaaliin toimintaan. Erotusmuuntajan tehtävänä on erottaa oskilloskoopin signaaligeneraattori galvaanisesti mitattavasta piiristä ja tämän lisäksi sen taajuusvasteen on oltava mahdollisimman tasainen koko taajuusalueen yli. Erotus-muuntajaa valittaessa on otettava huomioon muun muassa muuntajan sydämen permeabiliteetti ja ensiö- ja toisiokäämien välinen hajakapasitanssi.
C) AMPLITUDIPROFIILI
Säätöpiiri on toiminnaltaan luonnostaan erittäin herkkä ja sen perustehtävä on säätää virtalähteen toimintaa siten, että mahdollinen epävakaa toiminta virtalähteen ulostulossa on minimoitu. Syötettäessä ulkopuolista signaalia säätöpiiriin on erittäin tärkeää huomioida sen amplitudi. Käytännössä seuraavat säännöt on hyvä ottaa huomioon:
- Ulkoisen signaalin amplitudin on oltava riittävän matalatasoinen, jotta voidaan estää säätöpiirin aktiivisten komponenttien yliohjautuminen.
- Ulkoisen signaalin amplitudi on oltava kohinatason yläpuolella, jotta voidaan varmistaa mittaustulosten tarkkuus.
Säätöpiirin vahvistus vaihtelee taajuuden funktiona, joten syötettävän signaalin taso on optimoitava taajuuskohtaisesti. Tämän vuoksi oskilloskoopin Boden diagrammitoiminnossa on myös automatisoitu amplitudiprofiili, joka on esitelty tarkemmin kuvassa 3.
Kuva 3: Syötettävän signaalin amplitudiprofiili (taulukossa sinisellä pohjalla) ja Boden diagrammi (oskilloskoopin näytöllä punainen ja sininen mittauskäyrä).
D) MITTAPÄÄ
Onnistunut mittaus oskilloskoopilla edellyttää oikeantyyppisen mittapään käyttöä. Eri mittapäät eroavat toisistaan mm. jännitekeston, vaimennuskertoimen ja kaistanleveyden osalta. Sovelluksesta riippuu, mikä parametri on kulloinkin tärkeä.
Oskilloskoopin mukana toimitetaan tyypillisesti passiiviset mittapäät, joiden vaimennuskerroin on 10:1 ja kaistanleveys 500 MHz:n luokkaa. Kyseisen mittapään kaistanleveys on riittävä säätöpiirin mittaukseen, mutta sen vaimennuskerroin on tässä tapauksessa ongelmallinen.
Säätöpiirin vastetta mitattaessa mittapään herkkyys ja matalakohinainen mittaus ovat tärkeitä ominaisuuksia. Tästä syystä 1:1-mittapäät ovat paras vaihtoehto, erityisesti koska useimmiten mitattavat jännitteet ovat matalatasoisia ja vaadittava kaistanleveys on vain muutaman megahertsin luokkaa.
Mitattaessa virtalähteitä, joiden lähtöjännite on korkea, on suositeltavaa käyttää suurjännite-passiivimittapäätä tai suurjännite-differentiaalimittapäätä sovelluksesta riippuen.
E) STABIILISUUSMITTAUKSET KAIKISSA OLOSUHTEISSA
Muutokset hakkurivirtalähteiden syöttöjännitteissä, kuormassa ja lämpötilassa saattavat joissakin tapauksissa heikentää merkittävästi vaihemarginaalia. Tällainen tilanne saattaa syntyä esimerkiksi silloin, kun virtalähteen kuormitus on matala, jolloin virtalähteet tyypillisesti menevät DCM-moodiin ja säätöpiiri käyttäytyy eri tavalla normaaliin toimintatilaan verrattuna. Jos halutaan varmistaa, että virtalähde on kaikissa olosuhteissa stabiili, on suositeltavaa tehdä Boden diagrammimittaus kaikissa toimintatiloissa.
YHTEENVETO
Nykyaikaisesta oskilloskoopista on tullut mittalaite, josta löytyy toiminto monenlaisiin mittaushaasteisiin. Boden diagrammitoiminnon ja sisäänrakennetun signaaligeneraattorin avulla on mahdollista tehdä virtalähteiden stabiilisuusmittauksia ilman erillisten mittalaitteiden käyttöä. Tämä on tilaa säästävä ja kustannustehokas ratkaisu virtalähteiden mittauksiin.
Lisätietoa säätöpiirin analysoinnista löytyy osoitteesta www.rohde-schwarz.com/solutions/cla.
Artikkelin on koostanut Rohde & Schwarz Finlandin Pasi Suhonen. Se perustuu Markus Herdinin ja Marcus Sonstin kirjoittamaan artikkeliin “A Brief HowTo: Analyzing control loop stability with Bode plots using modern oscilloscopes”. Molemmat työskentelevät Rohde & Schwarzilla. Artikkelin voi lukea uudesta ETN-digilehdestä.
