Compreendendo e medindo o tempo de recuperação transiente da fonte de alimentação

Este tipo de arquivo inclui gráficos e esquemas de alta resolução, quando aplicável.

Bob Zollo, Planejador de Produto, Divisão de Força e Energia, Keysight Technologies
O tempo de recuperação transiente da fonte de alimentação é a especificação de uma fonte de alimentação CC. Ele descreve a rapidez com que a fonte de alimentação se recuperará de uma condição de carga transitória na saída da fonte de alimentação.   


Com uma fonte de alimentação ideal operando em tensão constante, a tensão de saída permaneceria no valor programado, independentemente da corrente sendo retirada da fonte de alimentação pela carga. Uma fonte de alimentação real, no entanto, não pode manter sua tensão programada quando há um rápido aumento na corrente de carga.


Em resposta a um rápido aumento na corrente, a tensão da fonte de alimentação cairá até que o loop de feedback de regulação da fonte de alimentação traga a tensão de volta ao valor programado. O tempo que leva para o valor voltar ao valor programado é o tempo de recuperação do transiente da carga (Fig. 1).


Observe que se o transiente de corrente de carga não for um transiente rápido, mas aumentar ou diminuir lentamente, o loop de feedback de regulação da fonte de alimentação será rápido o suficiente para regular e manter a tensão de saída sem qualquer transiente visível. À medida que a velocidade da borda do transiente de corrente aumenta, ela excede a capacidade do loop de feedback da fonte de alimentação de "manter o ritmo" e manter a tensão constante, resultando em um evento de transiente de carga.


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1. O tempo de recuperação do transiente de carga é o tempo "X" para que a tensão de saída se recupere e permaneça dentro de "Y" milivolts da tensão de saída nominal após uma mudança em degrau de amp "Z" na corrente de carga. "Y" é a banda de recuperação especificada ou banda de acomodação e "Z" é a mudança de corrente de carga especificada, normalmente igual à classificação de corrente de carga total da fonte.




O tempo de recuperação do transiente da fonte de alimentação é medido desde o início do transiente da corrente de carga até quando a fonte de alimentação se estabiliza e novamente atinge o valor programado. Mas sempre que você especificar “atinge um valor programado”, você deve especificar para dentro de uma faixa de tolerância. Assim, o tempo de recuperação do transiente de carga da fonte de alimentação é especificado como o tempo necessário para atingir uma faixa de tolerância de algum percentual do valor programado, algum percentual da saída nominal ou mesmo uma faixa de tolerância de tensão fixa. A tabela mostra alguns exemplos de especificações temporárias da fonte de alimentação.  


Olhando para a fonte de alimentação Keysight N7952A, você pode ver que a banda de tolerância do tempo de recuperação transiente é especificada como 100 mV. Ao medir o tempo de recuperação transiente, se a tensão de saída for 25 V, você deve medir quanto tempo leva para a fonte de alimentação se recuperar dentro de ± 100 mV em torno de 25 V.






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Amplificadores de potência exemplificam por que o tempo de recuperação transiente é importante


Vejamos um exemplo de aplicação em que a resposta transitória da fonte de alimentação CC é importante. Ao testar amplificadores de potência (PA) usados ​​em dispositivos móveis (como telefones celulares ou tablets), é muito importante que a tensão de polarização CC no dispositivo em teste (DUT) permaneça em uma tensão fixa e estável. Se a tensão flutuar ou mudar durante o teste, as condições de teste adequadas não são mantidas e as medições de potência de RF resultantes no DUT não serão corretas.     


Neste caso do PA, a situação é agravada pelo perfil atual. O PA transmite em pulsos e, portanto, puxa a corrente da polarização CC em pulsos. Esses pulsos têm taxas de borda rápidas e, portanto, apresentam transientes de carga significativos na polarização CC. Cada vez que o PA pulsa, ele consome alta corrente, o que diminui a fonte de alimentação de polarização CC. A fonte de alimentação se recuperará rapidamente; entretanto, durante o tempo em que a fonte de alimentação está respondendo ao transiente, sua tensão não está no valor desejado para o teste. Assim que a fonte de alimentação for restaurada, o PA funcionará nas condições de teste corretas e, assim, será possível fazer as medições de potência de RF adequadas. 


Com bilhões de PAs sendo fabricados e testados a cada ano, o rendimento do teste é crítico. Se a fonte de alimentação se recuperar lentamente, isso adiciona tempo de teste ao PA e, portanto, diminui o rendimento do teste de fabricação. Os fabricantes de PA, portanto, procuram fontes de alimentação de recuperação rápida para garantir que possam atingir o rendimento máximo de teste de fabricação. Eles olham para a especificação do tempo de recuperação transiente para determinar qual suprimento será o melhor para sua aplicação. Portanto, o fornecedor da fonte de alimentação precisa ser capaz de medir com precisão o tempo de recuperação transiente da fonte de alimentação para apresentar a melhor especificação possível aos fabricantes de PA.


Medindo o tempo de recuperação transiente


A parte desafiadora da medição do tempo de recuperação do transiente de carga é determinar quando a tensão entra na faixa de tolerância. O voltímetro médio pode medir facilmente se a tensão de saída CC está dentro da faixa de tolerância. É um instrumento lento, porém, e não será capaz de amostrar rápido o suficiente para fornecer uma medição de tempo significativa com resolução adequada para dizer a rapidez com que a tensão entrou na faixa de tolerância.


Olhando além do voltímetro médio, certos voltímetros de alta velocidade podem medir dezenas de milhares de leituras por segundo com precisão suficiente para detectar quando a tensão da fonte de alimentação entra com precisão na faixa de tolerância. Um exemplo é o DMM 34470A da Keysight. À medida que os tempos de recuperação transiente melhoram, esses voltímetros, mesmo capturando dados a 50 ksamples / s, tornam-se lentos demais para capturar o tempo de recuperação rápido.  


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Um osciloscópio seria uma ferramenta mais razoável de usar, pois pode capturar e visualizar facilmente transientes muito rápidos. O osciloscópio médio, entretanto, normalmente tem precisão vertical de 1% a 3% e resolução de 8 bits. Conseqüentemente, ele se esforça para fornecer resolução e precisão vertical suficientes para localizar com precisão quando a tensão de saída CC atinge a estreita faixa de tolerância. 


Ao colocar o osciloscópio em acoplamento CA, você tenta ampliar a faixa de tolerância. No entanto, um erro será introduzido, pois o nível CC estabilizado pós-transiente será distorcido devido ao acoplamento CA. Isso pode dificultar a identificação precisa do nível CC pós-transiente dentro da faixa de tolerância, pois a tensão CC estabelecida está sendo “puxada para baixo” pelo acoplamento CA.


Outra opção seria deixar o osciloscópio em acoplamento CC, mas usar um grande deslocamento CC no osciloscópio para ampliar a faixa de tolerância. Isso funciona bem com saídas CC no nível de 0 a 10 V, mas conforme a saída CC aumenta, o deslocamento CC também deve subir. Com grandes desvios CC, os volts / divisão mínimos também devem aumentar para suportar o grande desvio CC, resultando em menor resolução de medição na banda de tolerância.  


Para fontes de alimentação com uma banda de tolerância de tensão mais ampla, osciloscópios podem ser usados ​​para fazer essas medições. Na verdade, os osciloscópios da Keysight oferecem um software de análise de potência integrado que faz medições de resposta a transientes por meio de operações prontas para uso (confira www.keysight.com/find/scopes-power). Os osciloscópios de maior desempenho, com resolução de 10 ou 12 bits, têm mais flexibilidade e front-ends mais avançados, permitindo que façam essas medições mesmo para faixas estreitas de tolerância de tensão. No entanto, esses osciloscópios não são tão comuns na média das bancadas de laboratório.


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2. Esta captura de tela do Analisador de energia IntegraVision da Keysight mostra a medição do tempo de recuperação do transiente de tensão.




Para fontes de alimentação com bandas de tolerância de tensão estreitas, um analisador de qualidade de energia de alto desempenho pode fazer essa medição, desde que tenha capacidade de medição de disparo único. A medição de disparo único é necessária porque o transiente é um evento de disparo único acionado pela borda ascendente do pulso de corrente. Alternativamente, se você pode gerar um transiente de corrente de carga repetitivo, como uma onda quadrada onde a corrente salta entre os valores de corrente altos e baixos, você pode usar um analisador de potência sem medição de disparo único para capturar o evento transiente repetido.  


Analisadores de energia de alto desempenho têm melhor que 0.1% de precisão vertical, resolução de 16 bits e velocidades de digitalização de 1 Msample / s ou mais. Esta combinação de digitalização rápida e medição precisa de tensão permite medir facilmente a resposta transitória da carga da fonte de alimentação e identificar quando a estreita faixa de tolerância é atingida. Uma vez que um analisador de energia pode medir diretamente a tensão e a corrente sem pontas de prova, você pode configurar rapidamente essa medição para disparar a partir da borda de subida da corrente e, em seguida, medir o tempo de recuperação da tensão.  


Um analisador de energia com essa capacidade é o Analisador de Energia IntegraVision (Fig. 2), que fornece digitalização única de 5 Msample / s a ​​16 bits simultaneamente na tensão e na corrente, com precisão básica de 0.05%, tudo exibido em uma grande tela colorida sensível ao toque . A medição está sendo feita em uma fonte de 10 V sendo pulsada entre 2A e 8A. Sua banda de recuperação transiente é de ± 100 mV.


Usando os dois marcadores Y da IntegraVision, você pode identificar o topo (10.1 V) e o fundo (9.9 V) da banda de tolerância de tensão. Então, com os dois marcadores X, você pode identificar quando o transiente começa na forma de onda da corrente com o marcador X1 e quando a tensão entra na banda de tolerância com o marcador X2. A diferença de tempo entre X1 e X2 é o tempo de recuperação transiente, medido como 90.4 μs.

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