了解和測量電源瞬態恢復時間

如果適用，此文件類型包括高分辨率圖形和原理圖。

Bob Zollo，是德科技電力與能源部產品規劃師
電源瞬態恢復時間是直流電源的規格。 它描述了電源從電源輸出瞬態負載條件中恢復的速度。   


對於以恆定電壓運行的理想電源，無論負載從電源中汲取的電流如何，輸出電壓都將保持在編程值。 然而，當負載電流快速上升時，實際電源無法維持其編程電壓。


為了響應電流的快速上升，電源電壓將下降，直到電源調節反饋環路將電壓恢復到編程值。 值恢復到編程值所需的時間就是負載瞬態恢復時間（圖 1）。


請注意，如果負載電流瞬變不是快速瞬變，而是緩慢上升或下降，則電源調節反饋環路將足夠快以調節和維持輸出電壓，而不會出現任何可見的瞬變。 隨著電流瞬變的邊沿速度增加，它超出了電源反饋環路“跟上”並保持電壓恆定的能力，從而導致負載瞬變事件。


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1. 負載瞬態恢復時間是指負載電流發生“Z”安培階躍變化後，輸出電壓恢復並保持在標稱輸出電壓“Y”毫伏範圍內的時間“X”。 “Y”是指定的恢復帶或穩定帶，“Z”是指定的負載電流變化，通常等於電源的滿負載電流額定值。




電源瞬態恢復時間是從負載電流瞬態開始到電源穩定並再次達到編程值時測量的。 但任何時候您指定“達到編程值”時，都必須指定在公差範圍內。 因此，電源負載瞬態恢復時間被指定為達到編程值的一定百分比的容差帶、額定輸出的一定百分比、甚至固定電壓容差帶所需的時間。 下表顯示了電源瞬態規範的一些示例。  


查看 Keysight N7952A 電源，您可以看到瞬態恢復時間容差帶指定為 100 mV。 測量瞬態恢復時間時，如果輸出電壓為25V，則必須測量電源恢復到100V左右±25mV以內需要多長時間。






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功率放大器說明了瞬態恢復時間為何如此重要


讓我們看一個示例應用，其中直流電源瞬態響應很重要。 測試移動設備（例如手機或平板電腦）中使用的功率放大器 (PA) 時，將被測設備 (DUT) 的直流偏置電壓保持在固定且穩定的電壓非常重要。 如果測試期間電壓波動或變化，則無法維持正確的測試條件，並且 DUT 上的射頻功率測量結果將不正確。     


在 PA 的情況下，由於當前的情況，情況變得更加嚴重。 PA 以脈衝形式傳輸，因此以脈衝形式從直流偏置中拉出電流。 這些脈衝具有快速邊沿速率，因此在直流偏置上呈現顯著的負載瞬態。 每次 PA 脈沖開啟時，它都會吸收高電流，從而降低直流偏置電源的性能。 供電很快恢復； 然而，在電源響應瞬變期間，其電壓並未達到測試所需的值。 一旦電源恢復，PA 將在正確的測試條件下運行，從而可以進行正確的射頻功率測量。 


每年製造和測試數十億個 PA，測試吞吐量至關重要。 如果電源恢復緩慢，則會增加 PA 的測試時間，從而降低製造測試吞吐量。 因此，PA 製造商尋求快速恢復電源，以確保他們能夠實現最大的製造測試吞吐量。 他們根據瞬態恢復時間規格來確定哪種電源最適合他們的應用。 因此，電源供應商需要能夠準確測量電源瞬態恢復時間，以便向 PA 製造商提供最佳的規格。


測量瞬態恢復時間


測量負載瞬態恢復時間的挑戰性部分是確定電壓何時進入容差帶。 平均電壓表可以輕鬆測量直流輸出電壓是否在容差範圍內。 不過，它是一種速度較慢的儀器，並且無法足夠快地採樣，無法以足夠的分辨率進行有意義的時間測量，以表明電壓進入容差帶的速度。


除了普通電壓表之外，某些高速電壓表每秒可以測量數万個讀數，並且具有足夠的精度來檢測電源電壓何時精確進入容差帶。 Keysight 34470A DMM 就是這樣的一個例子。 隨著瞬態恢復時間的縮短，這些電壓表即使以 50 ksamples/s 的速度捕獲數據，也會變得太慢而無法捕獲快速恢復時間。  


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示波器將是一個更合理的工具，因為它可以輕鬆捕獲和可視化非常快的瞬態。 不過，普通示波器通常具有 1%-3% 的垂直精度和 8 位分辨率。 因此，它很難提供足夠的垂直精度和分辨率來精確定位直流輸出電壓何時達到窄容差帶。 


通過將示波器置於交流耦合中，您可以嘗試放大公差帶。 然而，由於交流耦合導致瞬態後穩定的直流電平失真，因此會引入誤差。 由於穩定的直流電壓被交流耦合“拉低”，因此可能難以精確識別容差範圍內的瞬態後直流電平。


另一種選擇是讓示波器處於直流耦合狀態，但在示波器上使用較大的直流偏移，以放大公差帶。 這對於 0 至 10V 電平的直流輸出效果很好，但隨著直流輸出的上升，直流偏移也必須上升。 對於大直流偏移，最小伏特/格也必須增加以支持大直流偏移，從而導致公差帶上的測量分辨率降低。  


對於具有更寬電壓容差範圍的電源，可以使用示波器進行這些測量。 事實上，是德科技示波器提供內置功率分析軟件，可通過統包操作進行瞬態響應測量（請訪問 www.keysight.com/find/scopes-power）。 具有 10 或 12 位分辨率的最高性能示波器具有更大的靈活性和更先進的前端，使它們即使在窄電壓容差範圍內也能進行這些測量。 然而，這些示波器在普通實驗室工作台上並不常見。


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2. Keysight IntegraVision 功率分析儀的屏幕截圖顯示了電壓瞬態恢復時間測量。




對於具有窄電壓容差帶的電源，高性能電能質量分析儀可以進行這種測量——只要它具有單次測量能力。 需要單次測量，因為瞬態是由電流脈衝的上升沿觸發的單次事件。 或者，如果您可以生成重複的負載電流瞬態（例如電流在高電流值和低電流值之間跳躍的方波），則可以使用功率分析儀（無需單次測量）來捕獲重複的瞬態事件。  


高性能功率分析儀具有優於 0.1% 的垂直精度、16 位分辨率以及 1 Msample/s 或更高的數字化速度。 快速數字化和精確電壓測量的結合使您能夠輕鬆測量電源負載瞬態響應並確定何時達到窄容差帶。 由於功率分析儀無需探頭即可直接測量電壓和電流，因此您可以快速設置此測量從電流的上升沿觸發，然後測量電壓恢復時間。  


IntegraVision 功率分析儀（圖 2）是一款具有此功能的功率分析儀，它可以同時對電壓和電流進行 5 位單次 16 Msample/s 數字化，基本精度為 0.05%，所有這些都顯示在大型彩色觸摸屏上。 測量是在 10A 至 2A 之間脈衝的 8V 電源上進行的。 其瞬態恢復帶為±100 mV。


使用 IntegraVision 的兩個 Y 標記，您可以識別電壓容差帶的頂部 (10.1 V) 和底部 (9.9 V)。 然後，通過兩個 X 標記，您可以使用標記 X1 識別電流波形上的瞬態何時開始，以及使用標記 X2 識別電壓何時進入容差帶。 X1和X2之間的時間差是瞬態恢復時間，測得為90.4μs。

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