Unregelmäßige Ereignisse aufspüren
Oszilloskope für die Validierung von Leistungswandlern
Leistungswandler müssen unter allen Umständen stabil und sicher funktionieren. Um dies sicherzustellen und auch unregelmäßige Ereignisse erkennen und analysieren zu können, braucht man leistungsstarke Oszilloskope mit digitaler Trigger-Technologie.
Design und Stabilität von Leistungswandlern müssen in allen Betriebsarten validiert werden. Im Allgemeinen bieten PWM-Regler (Pulse Width Modulation) mehrere Funktionen. Dadurch erhöht sich die Komplexität, und ein intelligenter Validierungsansatz ist geboten. Beispiele hierfür sind die Line-Feed-Forward-Regelung und die Softstartregelung. Die Softstartregelung, ein spezieller Betriebsmodus, ermöglicht einen graduellen Anstieg des positiven Tastgrads beim Hochfahren des Wandlers, um einen sanften Spannungsanstieg am Ausgang zu erzielen und den Einschaltstrom sowie die elektrische Belastung insgesamt zu begrenzen.
Während dieses Zeitraums steigt der Tastgrad von sehr niedrigen zu höheren Werten an, bis die Ausgangsspannung einen stabilen Zustand erreicht hat. Ist diese Sequenz abgeschlossen, regelt die Standardregelschleife die Ausgangsspannung auf den Zielwert ein. Darüber hinaus kann eine Line-Feed-Forward-Schleife die Ausgangsspannungsregelung optimieren, falls sich die Eingangsspannung schnell ändert. Beide Regelungsmechanismen koexistieren, das macht es schwierig, unerwartete Vorgänge oder einen instabilen Betrieb zu erkennen und zu lokalisieren.
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Störungen erkennen und analysieren
Rauschen ist in Schaltwandlerdesigns unvermeidlich und kann zu einer mangelhaften Regelung der Schleife führen. Diese Instabilität in Regelschleifen können Testingenieure identifzieren, indem sie auf Spannungsschwankungen triggern oder die Veränderungen des positiven Tastgrads überwachen, was effektiver ist, weil dieser zur Regulierung des Leistungssystems und zur Stabilisierung der Ausgangsspannung verwendet wird. Um unregelmäßige Ereignisse in einem so komplexen Regelsystem erkennen zu können, ist der Einsatz einer ausgefeilten Trigger-Funktion unerlässlich.
Für diese anspruchsvolle Aufgabe benötigen Testingenieure ein Oszilloskop, das auf digitaler Trigger-Technologie basiert. Rohde & Schwarz hat seine Oszilloskope der Serie MXO 4 und MXO 5 mit einem Digitaltrigger ausgestattet, der eine Empfindlichkeit von 0,0001/Div erreicht. Im High-Definition-Modus bieten diese Geräte eine Auflösung von bis zu 18 bit.
Digitaltrigger im Praxisbeispiel
Weil zwei Trigger-Bedingungen nötig sind, um Schwankungen des positiven Tastgrads nach dem Ende der Softstartphase festzustellen, können mit dem Oszilloskop auch komplexe Trigger-Bedingungen definiert werden. Bild 1 zeigt die Trigger-Bedingungen, wenn der Wandler anläuft. Die Trigger-Bedingung A dient zur Detektion des Endes der Softstartrampe und ist als Fenstertrigger konfiguriert. Die Ausgangsspannung muss hierbei in einen festgelegten Bereich fallen. Der Typ des Triggers für Bedingung B kann auf der PWM-Pulsbreite basieren.
Der Breitentrigger erkennt alle Werte außerhalb eines festgelegten Bereichs des positiven Tastgrads. Solche Werte können leicht aufgrund eines ungeeigneten Designs des Line-Feed-Forward-Regelfilters auftreten. Wenn sich der Wandler jedoch im stationären Zustand befindet, kommt es zu keinen wesentlichen Schwankungen des Tastgrads. Weicht der positive Tastgrad aufgrund eines unerwarteten Ereignisses vom Sollbereich ab, wird die Bedingung B getriggert und die Erfassung gestoppt. Das hilft bei der Eingrenzung dieses spezifischen Ereignisses, und der Benutzer kann die Ursache des unregelmäßigen Regelereignisses ermitteln.
Ein DC/DC-Schaltwandler in Vollbrückentopologie mit synchroner Gleichrichtung wird verwendet, um die komplexe Triggerung mit einem MXO 5 zu veranschaulichen; die Vorgehensweise mit einem MXO-4-Oszilloskop ist identisch. Der isolierte Wandler arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz und wandelt die Eingangsspannung von 48 V in eine Ausgangsspannung von 12 V um. Der Ausgangsstrom ist auf maximal 8 A festgelegt. Der in dieser Anwendung verwendete digitale Regler ermöglicht dem Benutzer die Aktivierung, Deaktivierung und Anpassung der Line-Feed-Forward-Regelung.
Gerätekonfiguration – Schritt für Schritt
Effiziente Validierung von Leistungswandlern, Bilder 2-4
➔ So wird ein komplexe Trigger konfiguriert:
➔ Einrichten eines geeigneten Kanals, einschließlich der richtigen Sondenauswahl
➔ Aktivieren einer Triggersequenz und Festlegung einer entsprechenden Rücksetzzeit (Bild 2)
➔ Konfigurieren des Triggers A als Fenstertrigger mit oberem und unterem Pegel, um das Ende des Softstarts während der Startsequenz zu erfassen (Bild 3)
➔ Aktivieren der Messfunktion für den positiven Tastgrad und Festlegung der Referenzpegel, z. B. 20/50/80 % der Spannung
➔ Konfigurieren des Triggers B als Breitentrigger und Einstellung der Breite sowie der Deltazeit (Bild 4)
➔ Aktivieren der Messfunktion für den Tastgrad mit Tracking-Funktion.
➔ Messen der Lasttransienten.
Nach dem Einrichten startet der Wandler und das Softstartverfahren wird ausgeführt. Nachdem der Trigger einen gültigen Auslöser für Bedingung A erkennt, wartet das Gerät auf eine Veränderung des gemessenen Tastgrads. Unter der Annahme einer konstanten Last nach dem Softstart würde das Gerät bei Bedingung B nicht auslösen, weil der Tastgrad konstant bleiben sollte.
Komplexe Triggersequenz und Messergebnisse
Um diese komplexe Triggersequenz zu veranschaulichen, wurde die Line-Feed-Forward-Funktion im Regler des Wandlers mit einem ungeeigneten Digital- filterdesign aktiviert. Infolgedessen löste das Gerät auch bei Bedingung B aus.
Die aufgezeichnete Messung ist in Bild 5 dargestellt. Die Ausgangsspannung wurde auf Kanal 1 und die Eingangsspannung auf Kanal 3 gemessen. Kanal 2 zeigt ein internes Signal des Reglers, das die Eingangsspannung auf der Sekundärseite wiedergibt. Kanal M2 zeigt den durch einen Tiefpassfilter mit Mathematikfunktion gefilterten Kanal 2. Zudem werden im unteren Fenster das PWM-Steuersignal (Kanal 4) und die Track Waveform für den positiven Tastgrad angezeigt.
3 ms nach Ende der Softstartsequenz triggert das Gerät auf Bedingung B, weil der Tastgrad einen positiven Schritt, gefolgt von einem negativen Abfall zeigt. Diese Tastgradschwankung tritt nur auf, wenn die Line-Feed-Forward-Regelung aktiviert ist. Der nächste Schritt wäre die Optimierung der Erfassungslänge, was nun aufgrund der komplexen Trigger-Sequenz möglich ist. Bild 6 zeigt das Ergebnis.
Mehr Details und eine höhere Genauigkeit ermöglichen dem Benutzer ein besseres Verständnis des Systems. Der Benutzer kann nun den Prozess starten und die Ursache effektiv aufspüren.
Fazit
Testingenieure brauchen ein Oszilloskop wie das MXO 5 oder MXO 4 mit integriertem Digitaltrigger, um unregelmäßige Ereignisse in der Regelschleife eines Leistungswandlers aufzuspüren. Diese Oszilloskope ermöglichen die Definition komplexer Triggerereignisse, sodass sich die Ursache solcher Ereignisse effizient isolieren lässt. Bei der Auswahl eines Oszilloskops sollte man auf einen großen Speicher achten, der Spielraum für zusätzliche Funktionen bietet, die eine hohe Abtastrate über eine lange Aufzeichnungszeit erfordern. Ein Beispiel wäre etwa die Tracking-Funktion für den Tastgrad. Das MXO 5 bietet bis zu 1 Gpts pro Kanal und ermöglicht damit hochauflösende Erfassungen selbst bei großer Aufzeichnungslänge. Das MXO 4 verfügt über einen Standarderfassungsspeicher von 400 Mpts auf allen vier Kanälen.
Der Autor
Marcus Sonstv ist Senior Applikationsingenieur mit Schwerpunkt auf Leistungselektronik- anwendungen im Produktmanagement für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz.
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