了解和测量电源瞬态恢复时间

如果适用，此文件类型包括高分辨率图形和原理图。

Bob Zollo，是德科技电力和能源部产品规划师
电源瞬态恢复时间是直流电源的规格。 它描述了电源从电源输出的瞬态负载条件中恢复的速度。   


对于在恒定电压下工作的理想电源，无论负载从电源中汲取多少电流，输出电压都将保持在编程值。 然而，当负载电流快速上升时，实际电源无法保持其编程电压。


为响应电流的快速上升，电源电压将下降，直到电源调节反馈环路将电压恢复到设定值。 该值恢复到编程值所需的时间是负载瞬态恢复时间（图 1）。


请注意，如果负载电流瞬变不是快速瞬变，而是缓慢上升或下降，则电源调节反馈环路将足够快以调节和维持输出电压，而不会出现任何可见的瞬变。 随着电流瞬变边缘速度的增加，它超过了电源反馈环路“保持”和保持电压恒定的能力，从而导致负载瞬变事件。


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1. 负载瞬态恢复时间是在负载电流发生“Z”安培阶跃变化后输出电压恢复并保持在标称输出电压的“Y”毫伏范围内的时间“X”。 “Y”是指定的恢复带或稳定带，“Z”是指定的负载电流变化，通常等于电源的满负载电流额定值。




电源瞬态恢复时间是从负载电流瞬态开始到电源稳定并再次达到编程值时测量的。 但是无论何时您指定“达到编程值”，您都必须指定在公差带内。 因此，电源负载瞬态恢复时间被指定为达到设定值的某个百分比、额定输出的某个百分比甚至固定电压容差带的容差带所需的时间。 下表显示了电源瞬态规范的一些示例。  


查看 Keysight N7952A 电源，您可以看到瞬态恢复时间容差带指定为 100 mV。 在测量瞬态恢复时间时，如果输出电压为 25 V，则必须测量电源在 100 V 附近恢复到 ±25 mV 范围内所需的时间。






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功率放大器举例说明了为什么瞬态恢复时间很重要


让我们看一个示例应用，其中直流电源瞬态响应很重要。 在测试移动设备（如手机或平板电脑）中使用的功率放大器 (PA) 时，进入被测设备 (DUT) 的直流偏置电压保持固定且稳定的电压非常重要。 如果电压在测试过程中波动或变化，则无法保持适当的测试条件，并且由此产生的 DUT 上的 RF 功率测量结果将不正确。     


在 PA 的这种情况下，由于当前的配置文件，情况更加恶化。 PA 以脉冲形式传输，因此以脉冲形式从直流偏置中拉出电流。 这些脉冲具有快速边沿速率，因此在直流偏置上呈现显着的负载瞬变。 每次 PA 脉冲开启时，它都会吸收高电流，从而拖累直流偏置电源。 电源会很快恢复； 然而，在电源响应瞬态期间，其电压未达到测试所需的值。 一旦电源恢复，PA 将在正确的测试条件下运行，从而可以进行正确的射频功率测量。 


每年有数十亿个 PA 被制造和测试，测试吞吐量至关重要。 如果电源恢复缓慢，则会增加 PA 的测试时间，从而降低制造测试吞吐量。 因此，PA 制造商寻求快速恢复电源以确保他们能够实现最大的制造测试吞吐量。 他们根据瞬态恢复时间规范来确定哪种电源最适合他们的应用。 因此，电源供应商需要能够准确测量电源瞬态恢复时间，以便向 PA 制造商提供最佳规格。


测量瞬态恢复时间


测量负载瞬态恢复时间的挑战性部分是确定电压何时进入容差范围。 平均电压表可以轻松测量直流输出电压是否在容差范围内。 但是，它是一种缓慢的仪器，并且无法以足够快的速度进行采样，无法以足够的分辨率进行有意义的时间测量，以说明电压进入容差范围的速度有多快。


超越平均电压表，某些高速电压表每秒可以测量数万个读数，精度足够检测电源电压何时精确进入容差带。 一个这样的例子是 Keysight 的 34470A DMM。 随着瞬态恢复时间的改进，这些电压表即使以 50 ksamples/s 的速度捕获数据，也会变得太慢而无法捕获快速恢复时间。  


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示波器将是一种更合理的工具，因为它可以轻松捕获和可视化非常快速的瞬变。 但是，平均范围通常具有 1%-3% 的垂直精度和 8 位分辨率。 因此，它很难提供足够的垂直精度和分辨率来精确定位直流输出电压何时达到窄容限范围。 


通过将示波器置于交流耦合中，您可以尝试放大容差带。 然而，会引入误差，因为瞬态后稳定的直流电平会因交流耦合而失真。 由于稳定的直流电压被交流耦合“拉低”，这可能会使精确识别容差范围内的瞬态后直流电平变得困难。


另一种选择是让示波器保持直流耦合，但在示波器上使用较大的直流偏移以放大容差带。 这适用于 0 至 10 V 电平的直流输出，但随着直流输出上升，直流偏移也必须上升。 对于大直流偏移，最小伏特/分度也必须增加以支持大直流偏移，从而导致公差带上的测量分辨率降低。  


对于具有更宽电压容限范围的电源，可以使用示波器进行这些测量。 事实上，是德科技示波器提供内置功率分析软件，可通过交钥匙操作进行瞬态响应测量（请访问 www.keysight.com/find/scopes-power）。 具有 10 位或 12 位分辨率的最高性能示波器具有更大的灵活性和更先进的前端，使它们即使在窄电压容限范围内也能进行这些测量。 然而，这些示波器在普通实验室工作台上并不常见。


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2. Keysight IntegraVision 功率分析仪的屏幕截图显示了电压瞬态恢复时间测量。




对于电压容限窄的电源，高性能电能质量分析仪可以进行这种测量——前提是它具有单次测量能力。 需要单次测量，因为瞬态是由电流脉冲的上升沿触发的单次事件。 或者，如果您可以生成重复的负载电流瞬变，例如电流在高电流值和低电流值之间跳跃的方波，您可以使用没有单次测量的功率分析仪来捕获重复的瞬变事件。  


高性能功率分析仪具有优于 0.1% 的垂直精度、16 位分辨率和 1 Msample/s 或更高的数字化速度。 这种快速数字化和精确电压测量的结合使您可以轻松测量电源负载瞬态响应并确定何时达到窄容限范围。 由于功率分析仪无需探头即可直接测量电压和电流，因此您可以快速设置此测量从电流的上升沿触发，然后测量电压恢复时间。  


IntegraVision 功率分析仪是一款具有此功能的功率分析仪（图 2），它可同时对电压和电流进行 5 位单次 16-Msample/s 数字化，基本精度为 0.05%，全部显示在大型彩色触摸屏上. 测量是在 10A 和 2A 之间脉冲的 8V 电源上进行的。 其瞬态恢复带为±100 mV。


使用 IntegraVision 的两个 Y 标记，您可以识别电压容差带的顶部 (10.1 V) 和底部 (9.9 V)。 然后，通过两个 X 标记，您可以使用标记 X1 确定电流波形上的瞬态何时开始，以及何时电压进入带有标记 X2 的容差带。 X1 和 X2 之间的时间差是瞬态恢复时间，测量值为 90.4 μs。

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