Einführung in die Frequenzganganalyse

Die meisten Stromversorgungen und Spannungsregler sind im Wesentlichen Verstärker mit einer geschlossenen Rückkopplungsschleife. Mit Hilfe von Regelkreismessungen kann sichergestellt werden, dass ein Stromversorgungsdesign auf Änderungen der Ausgangslastbedingungen ohne großes Überschwingen oder Oszillieren reagiert.

Der Frequenzgang eines Systems ist eine frequenzabhängige Funktion. Sie drückt aus, wie ein Referenzsignal einer bestimmten Frequenz (in der Regel ein sinusförmiges Signal) am Systemeingang (Anregung) durch das System übertragen wird.

Frequenzganganalyse an einem verallgemeinerten Regelkreis

In Bild 1 ist ein verallgemeinerter Regelkreis dargestellt, bei dem eine Sinuswelle a(t) an ein System mit der Übertragungsfunktion G(s) angelegt wird.

Nachdem Einschwingvorgänge abgeklungen sind, die durch die Anfangsbedingungen festgelegten werden, wird das Ausgangssignal b(t) zu einer Sinuswelle, jedoch mit einem anderen Betrag B und einer anderen relativen Phase ω. Der Betrag und die Phase des Ausgangssignals b(t) sind mit der Übertragungsfunktion G(s) bei der Frequenz (rad/s) der Eingangssinuswelle verbunden. Der Rückkopplungskoeffizient k bestimmt, wie das Eingangssignal auf der Grundlage der Lasten am Ausgang konditioniert wird.

Bode-Diagramme stellen Verstärkung und Phase in Abhängigkeit von der Frequenz dar

Um das Systemverhalten zu verstehen, wird das sinusförmige Eingangssignal über einen Frequenzbereich mit unterschiedlicher Amplitude durchlaufen. Dies hilft, die Verstärkung und Phasenverschiebung des Regelkreises über einen Frequenzbereich darzustellen und liefert wertvolle Informationen über die Geschwindigkeit des Regelkreises und die Stabilität der Stromversorgung.

Durch sequenzielles Messen von Verstärkung und Phase bei verschiedenen Frequenzen kann ein Diagramm von Verstärkung und Phase in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet werden. Mit logarithmischen Frequenzskalen können die Diagramme sehr große Frequenzbereiche abdecken. Diese Diagramme werden oft als Bode-Diagramme bezeichnet, da sie bei der Entwicklung von Steuerungssystemen verwendet werden, die von Hendrik Wade Bode entwickelt wurden.

Regelkreismessung bei Stromversorgungen

Bei der Entwicklung von Stromversorgungen helfen Regelkreismessungen dabei zu charakterisieren, wie eine Stromversorgung auf Änderungen der Ausgangslastbedingungen, der Eingangsspannung, der Temperatur usw. reagiert. Ein ideales Netzteil muss schnell reagieren und eine konstante Ausgangsleistung beibehalten, jedoch ohne übermäßiges Überschwingen oder Oszillieren. Dies wird in der Regel durch die Steuerung des schnellen Umschaltens von Komponenten (in der Regel ein MOSFET) zwischen der Versorgung und der Last erreicht. Je länger der Schalter im Vergleich zur Ausschaltzeit eingeschaltet ist, desto höher ist die Leistung, die an die Last abgegeben wird.

Eine instabile Stromversorgung oder ein instabiler Regler kann oszillieren, was zu einer sehr großen scheinbaren Restwelligkeit bei der Bandbreite des Regelkreises führt. Diese Oszillation kann auch EMI-Probleme verursachen.

Oszilloskop-Messungen mit automatischer Frequenzganganalyse

Indem man die tatsächliche Verstärkung und Phase der Schaltung über einen Frequenzbereich hinweg misst, kann man mehr Vertrauen in die Stabilität des Entwurfs gewinnen, als wenn man sich nur auf die Simulation verlässt.

Um das Ansprechverhalten eines Regelkreises zu messen, muss der Anwender einen Impuls über einen bestimmten Frequenzbereich in den Rückkopplungspfad des Regelkreises einspeisen. Mit Hilfe eines Oszilloskops, einer Signalquelle und einer Automatisierungssoftware können Messungen schnell durchgeführt und in Form der Bode-Diagramme dargestellt werden, was die Bewertung von Spielräumen und den Vergleich der Schaltungsleistung mit Modellen erleichtert.

Aufbau eines Messystems basierend auf einem Oszilloskop

Ein auf einem Oszilloskop basierendes System zur Messung des Regelkreisverhaltens umfasst eine Messsoftware, einen Funktionsgenerator (in das obige Oszilloskop eingebaut), einen Injektions-/Isolationstransformator, einen Injektionswiderstand und zwei passive Tastköpfe mit geringer Dämpfung.

Advanced Power Measurement und Analysesoftware

Moderne Oszilloskope können mit Advanced Power Measurement und Analysesoftware ausgestattet werden. Diese Anwendungssoftware umfasst mehrere Frequenzgangmessungen, darunter:

• Ansprechverhalten des Regelkreises
• Betriebsspannungsunterdrückung (PSRR)
• Impedanz

Zur Ermittlung der Regelkreismessungen führt die Analysesoftware die folgenden Funktionen aus:

• Steuerung des Funktionsgenerators
• Berechnung und Darstellung der Verstärkung (20 log V_OUT/V_IN) basierend auf den beiden Spannungseingängen, wobei V_IN die Stimulationsspannung des Funktionsgenerators ist
• Berechnung und Darstellung der Phasenverschiebung zwischen V_IN und V_OUT auf der Grundlage der beiden Spannungseingänge
• Berechnung der Verstärkung und der Phasenspanne

Zwei Tastköpfe, die über einen niederohmigen Injektionswiderstand angeschlossen sind, liefern alle Informationen, die die Analysesoftware benötigt. Sie messen die Amplituden von Impuls und Reaktion zur Berechnung der Verstärkung und die Phasenverzögerung zwischen Impuls und Reaktion.

Messen der Reaktion einer Stromversorgung

Um die Reaktion eines Stromversorgungssystems zu messen, muss ein bekanntes Signal in die Rückkopplungsschleife eingespeist werden. Mehrere Oszilloskope von Tektronix verfügen über eingebaute Signalquellen, die zur Einspeisung eines Signals in die Rückkopplungsschleife über einen Isolationstransformator verwendet werden können. In diesem Beispiel wird der Arbiträr-/Funktionsgenerator verwendet, um Sinuswellen über einen bestimmten Frequenzbereich zu erzeugen. Der DC/DC-Wandler oder LDO muss mit einem kleinen (5-10 Ω) Einspeisewiderstand/Abschlusswiderstand in seiner Rückkopplungsschleife konfiguriert werden, damit der Funktionsgenerator ein Störsignal in die Schleife einspeisen kann. Um eine Übersteuerung des Regelkreises zu vermeiden, muss die Amplitude des Injektionssignals niedrig gehalten werden.

Ein Einspeisetransformator mit einem flachen Ansprechverhalten über eine große Bandbreite wird über den Einspeisewiderstand geschaltet und isoliert die geerdete Signalquelle von der Stromversorgung. Die Wahl des Injektionsübertragers hängt von den interessierenden Frequenzen ab.

Tastköpfe für Spannungsmessungen

Für die Spannungsmessungen werden passive Tastköpfe mit niedriger Kapazität und geringer Dämpfung empfohlen, z. B. der TPP0502. Eine geringe Dämpfung des Tastkopfes ermöglicht eine gute Empfindlichkeit. Die zweifache Dämpfung des TPP0502 ermöglicht Messungen mit einer vertikalen Empfindlichkeit von 500 µV/div beim MSO der Serie 6 und 1 mV/div beim MSO der Serie 4 oder 5. Die geringe Kapazität von 12,7 pF minimiert die Auswirkungen der Tastkopfbelastung.