【技术大咖测试笔记系列】之四：使用数字万用表测量电源瞬态恢复时间

作者：泰克科技技术大咖 Josh Brown

简单地说，瞬态恢复时间是施加负载后电源恢复到设定电平所需的时间长度。不设计电源的人一般会想当然，我们在工作中不管用的是哪种电路，可能只有在电源性能劣化到影响工作时才会注意到它。电源和人有点儿像，如果你问的问题比他知道的多，那么他可能会达不到你的预期。

我们用一个类比来帮助说明考虑电源压力的重要性。如果有人投给你一个棒球，告诉你抓住时球要保持在同一高度，前探或后缩几英寸(或几厘米)，在一秒内完成。棒球(负载)相对较轻，在抓住它时，您的手几乎不会移动。(当然前提是你要有一个精准的投手。)

现在想象一下，有人投给你一个保龄球，对你的反应提出同样的限制。你的手不仅要移动，你的身体也要移动进行配合助力，因为重量变了。球是否导致你保持的高度相对于目标高度发生变化？变化量有多大？你完全抓住并握紧球了吗？如果不能保持在一定的高度容限内，你能在允许的1秒间隔内稳定高度吗？很明显，这个挑战要大得多(除非你是一名NFL前锋)。类似的，如果电源上放置的负载超过其处理能力，那么它会很难满足你的要求。

那么怎样才知道自己跑得远不远呢？这时使用DMM全面表征瞬态恢复特点就成了关键。

在深入具体细节前，我们先讨论一下开关频率，因为这有助于确定你选择哪种仪器来评估有问题的行为。尽管线性电源和开关式电源都受到瞬态恢复时间指标影响，但开关式电源以预定频率工作，自然有更多的噪声，信号活动要更杂散。开关式电源使用的频率范围一般为10 kHz ~ 1 MHz。由于示波器的采样率高，提供了优秀的可视工具，因此示波器特别适合评估瞬态恢复时间，其中使用电平触发捕获事件，使用屏幕光标进行数学和测量分析。

你可能还会考虑拥有高速采样功能的数字万用表，工作台上可能已经有这种仪器。某些DMM型号很多年前就能够采样高达50 kHz，较新的型号则能够支持高达1 MHz。随着速度而来的是有更多的高速采样机会，因为其测量灵敏度要高于大多数示波器。

为说明怎样测量瞬态恢复时间，我们使用德仪公司生产的LM25088MH-1EVL评测电路板，其能够从高达36V的输入电源提供5V电压及高达7A电流。在略加改动后，我们把它重新配置成以25 kHz频率开关。我们使用Keithley 2230A-30-3三通道DC电源其中两条通道，提供10V输入信号（最高6A 电流）为评测电路板供电。我们还使用Keithley 2380-500-15电子负载吸收一定量的电流。在这种情况下，我们想把LM25088MH推到其7A极限，看它如何反应。我们使用DMM6500，先评估电子负载吸收大电流时的电压响应，然后再查看电流响应。

为评估瞬态恢复电压，我们把仪器连接如下：



在把2230A电源设置成在两条输出通道上输出10V @ 3A (以确保为电源转换提供足够的电流)后，我们把2380电子负载设置成吸收7A的恒定电流。我们打开2230A的输出，同时关闭2380。我们把DMM6500配置成数字化电压，把采样率设置成1 MS/s，数量为10k读数，然后轻触Set Up Trigger按钮，出现波形捕获选项，从Source Event选项中选择Analog Edge。



由于我们预计在应用负载时电压会有一定下降，所以我们把电平设置成4.925 V，斜率设置成下降沿。选择之后，我们可以使用Position选项在图表上调节波形的水平表示。为启动DMM6500开始监测事件，我们轻触屏幕左上角的CONT信号器，这时会出现一个下拉菜单，其中有多个触发选面，选择Initiate Trigger Model。



最后，我们打开2380电子负载，应用有效步进功能，吸收7A电流。DMM6500将捕获采样的波形，显示在Graph图表一栏中。这会显示对LM25088MH开关式电源的输出应用负载时的瞬态响应。轻触DMM6500屏幕，放大感兴趣的区域，可以进一步进行评估，打开光标，得到信号电平(y轴信息)随时间(x轴信息)变化指标。我们可以看到，开关式电源在大约1.5毫秒后稳定。更有意思的是应用负载后产生大的暂降，驱动输出电压最低达到3.466 V。



与应用负载时的瞬态恢复同样重要的，是在移除相同的负载时会发生什么情况。为捕获这种情况，我们轻触DMM6500上的Trigger标签，把电平变成5.1 V，斜率变成Rising上升沿。可以像之前一样（使用下拉菜单选项），或按仪器前面板DMM显示屏左面的TRIGGER键，触发DMM。然后关闭2380电子负载，可以在DMM6500图表上看到开关式电源的恢复波形。



我们不用在显示屏上同时启用水平光标和垂直光标，而是只使用垂直光标，滑动屏幕底部的信息条，出现VCursor Stats。这会提供两个竖条之间数据点的基本统计信息。因此，我们不需启用和调节水平光标，就可以确定移除负载时开关式电源的峰值是6.953 V。我们可以把右手光标设置到输出变平坦前小的暂降发生的地方，发现恢复响应时间大约是125毫秒。我们也可以放大峰值点区域，更好地查看电压信号的行为方式。



现在我们把注意力转向电流信号，使用同一条电路，但DMM6500与2380电子负载串联。注意记录，因为我们处理的是很大的电流(7 A)，我们需要使用DMM背面提供的10 A电流输入连接.



触发选项设置与之前类似，但现在我们在预计的7 A信号的中点触发，斜率仍设置成Rising上升沿。



我们再次触发DMM6500(通过下拉菜单)，然后打开2380电子负载 – DMM对波形事件的响应没问题。在移除负载时重复这个过程，我们也使用屏幕光标迅速分析数据，显示电流暂降到-2.5 A。



尽管我们的注意力一直放在高功率波形捕获上，但我们仍要注意数字万用表提供的电流灵敏度优势。当前设计的许多器件都必须尽可能节能，以延长电池续航时间。LM25088MH评测电路板的这条开关电路可以集成到低功率无线设计中，在跳变到不同状态(睡眠、待机、传感、处理等)时，必须评估各个元件吸收的弱电流。捕获低电流波形事件的过程与上面列出的过程相同，但更低的范围使得用户可以监测弱电流。例如，如果我们把负载设置成5 mA，使用DMM6500上的10 mA量程，那么我们可以查看微安级读数。



希望这篇笔记能够让你了解瞬态恢复测量，并感受吉时利的部分产品。吉时利拥有500多种产品，可以用来提供、测量、连接、控制或传送直流(DC)或脉冲式电信号。如需了解更多信息并保持电源高效运行，敬请访问：https://www.tek.com/keithley。