Messen des Regelkreisverhaltens Stabilität von Schaltnetzteilen

Bild 1. Mit einem zusätzlichen 5-Ω-Einspeisewiderstand wird das Regelkreisverhalten untersucht.
Bild 1. Mit einem zusätzlichen 5-Ω-Einspeisewiderstand wird das Regelkreisverhalten untersucht.

Die Qualität des Regelkreises ist ein wichtiger Indikator für die Stabilität von Schaltnetzteilen und Spannungsreglern. Deren Qualität kann per Oszilloskop gemessen und als Bode-Diagramm dargestellt werden.

Je besser die Kompensation des Regelkreises, desto stabiler ist die Ausgangsspannungen und desto geringer der Einfluss von Lastwechseln und Abweichungen in der Versorgungsspannung. Die Qualität des Regelkreises bestimmt unter anderem die Stabilität und das Aussteuerungsverhalten des gesamten DC/DC-Wandlers. Zum Beurteilen dieser Qualität ist eine Messung per Oszilloskop und eine Darstellung in einem Bode-Diagramm für viele Entwickler das bevorzugte Verfahren.

Das niederfrequente Antwortverhalten eines Oszilloskops gibt Auskunft über das Regelkreisverhalten und den Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) von Schaltnetzteilen. Einer Frequenzgang-Analyse mit einem Oszilloskop und eine Darstellung dieser Analyse in einem Bode-Diagramm ermöglichen die Charakterisierung des Frequenzgangs unterschiedlichster Elektronikkomponenten, einschließlich passiver Filter und Verstärkerschaltungen. Dabei kommt ein im Oszilloskop integrierter Waveform-Generator zum Einsatz, der Anregungen von 10 Hz bis 25 MHz erzeugt. Das Verhältnis von Signaleingang und -ausgang des Testobjekts wird bei jeder Testfrequenz gemessen, während das Oszilloskop die Verstärkung logarithmisch und die Phase linear darstellt.

Für die Qualitätsmessung des Regelkreisverhaltens kann zum Beispiel die Oszilloskope-Option R&S RTx-K36 für Frequenzgang-Analyse eingesetzt werden. Zum Beispiel unterstützt sie bei der Ermittlung der Regelkreisstabilität die schnelle Bestimmung der Amplituden und der Phasenreserve von Schaltnetzteilen oder linearen Reglern. Auch das Antwortverhalten des Systems auf veränderte Betriebsbedingungen wie Änderungen bei der Versorgungsspannung oder beim Laststrom wird detailliert dargestellt.

Messaufbau

Für eine stabile Ausgangsspannung vergleichen die Regelkreise von Netzgeräten die Referenzspannung (Vref) mit der Rückkopplungsspannung (Vfeedback) und erzeugen eine Gegenkopplung. Um das Regelkreisverhalten zu untersuchen, muss ein Fehlersignal über einen Frequenzbereich in den Rückkopplungspfad des Regelkreises eingespeist werden. Erzeugt wird das Signal durch das Einfügen eines kleinen Widerstands in die Rückkopplungsschleife.

Der in Bild 1 eingebaute 5-Ω-Einspeisewiderstand (Rinjection) ist im Vergleich zum Reihenwiderstand von R1 und R2 nicht signifikant und wird von manchen Entwicklern zu Testzwecken dauerhaft integriert. Ein Einspeisetransformator wie der Picotest J2100A trennt das AC-Verzerrungssignal ab und beseitigt jegliche DC-Vorspannung.

Messungsverlauf

Um die Schleifenverstärkung einer Spannungsrückkopplungsschleife zu messen, muss die Schleife an einem geeigneten Punkt unterbrochen werden, an dem das Verzerrungssignal anschließend eingespeist wird. Das Signal durchläuft den Regelkreis und wird je nach Schleifenverstärkung verstärkt oder gedämpft und in der Phase verschoben. Bei der Option R&S RTx-K36 erzeugt der Generator des Oszilloskops das Verzerrungssignal, während das Oszilloskop die Übertragungsfunktion der Schleife misst. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Impedanz in Richtung der Schleife deutlich größer ist als die Rückwärtsimpedanz an diesem Punkt. Die Rückwärtsimpedanz entspricht der Ausgangsimpedanz des Wandlers und erreicht einen sehr niedrigen Wert im Bereich von einigen mΩ.

Die Impedanz in Richtung der Schleife wird vom Kompensator und dem Spannungsteiler gebildet und liegt im Bereich von einigen kΩ. Werden beide Faktoren berücksichtigt, entspricht die gemessene Schleifenverstärkung auch dem tatsächlichen Wert. Eine gute Sondierung ist ein weiterer entscheidender Faktor für die Charakterisierung des Regelkreisverhaltens, da die Spitze-Spitze-Amplituden von Vin und Vout bei einigen Testfrequenzen sehr niedrig sein können und so im Grundrauschen des Oszilloskops untergehen würden. Für den beschriebenen Messaufbau eignen sich daher rauscharme passive 1:1-Tastköpfe mit 38 MHz Bandbreite. Zudem empfiehlt sich der Einsatz einer Massefeder wie die des R&S RT-ZP1X Tastkopfs, um die Masseverbindung bei der Messung kurz und damit rauscharm zu halten (Bild 2).

Um die Schaltung nach dem Anschluss des Oszilloskops zu prüfen, wird die Start- und Stoppfrequenz des Störsignals zwischen 10 Hz und 25 MHz eingestellt und danach der Ausgangspegel des Generators festgelegt. Nun kann die Anzahl der verwendeten Frequenzen je Dekade eingestellt werden. Je mehr Frequenzstützstellen zum Einsatz kommen, desto länger dauert ein kompletter Messablauf. Im Gegenzug ist das Messergebnis detailreich. Das verwendete Oszilloskop unterstützt dabei bis zu 500 Punkte pro Dekade. Danach genügt ein Druck auf »Run«, um die Messung zu starten, woraufhin das Oszilloskop die Messergebnisse als Amplitude/Phase in Abhängigkeit der jeweiligen Frequenz ausgibt.

 

Die Ergebnisse

Die in den Bode-Diagrammen dargestellten Messkurven repräsentieren die Übertragungsfunktion der Schaltung und helfen bei der Verifizierung der Gesamtstabilität des Systems.

Der erste Graph (Bild 3) zeigt das Amplitudenverhalten über den Frequenzbereich in dB, während das zweite Diagramm (Bild 4) den Phasenverlauf über die Frequenz darstellt – gemessen in Grad. Der Marker kann nun auf eine beliebig wählbare Position gezogen werden, die sich direkt auf der dargestellten Messkurve befindet.

Über die genauen Koordinaten des Markers gibt eine Legende Auskunft, und ein zusätzliches Fenster stellt den Zeitbereich dar. Es zeigt einen Vergleich des aufgeprägten Signals mit dem am Ausgang gemessenen Signal zur jeweiligen Frequenz. So lässt sich einfach erkennen, ob das Signal in der Amplitude optimal gewählt wurde oder ob es nach oben oder unten angepasst werden muss.

 

 

Der Autor

 

 

Andreas Ibl

ist bei Rohde & Schwarz Produktmanager für Oszilloskope und betreut die Oszilloskop-Serien RTC1000, RTB2000, RTM3000 und RTA4000. Er hat einen Master-Abschluss in Ingenieurwesen von der Fachhochschule Landshut und verbrachte Aufenthalte in den USA und China. Neben Stabilitätsmessungen liegt sein technischer Fokus auf Leistungselektronik sowie Power Integrity.

andreas.Ibl@rohde-schwarz.com