Comprender y medir el tiempo de recuperación transitorio de la fuente de alimentación

Este tipo de archivo incluye gráficos y esquemas de alta resolución cuando corresponde.

Bob Zollo, planificador de productos, división de potencia y energía, Keysight Technologies
El tiempo de recuperación transitorio de la fuente de alimentación es la especificación de una fuente de alimentación de CC. Describe la rapidez con la que la fuente de alimentación se recuperará de una condición de carga transitoria en la salida de la fuente de alimentación.   


Con una fuente de alimentación ideal operando en voltaje constante, la tensión de salida permanecería en el valor programado independientemente de la corriente que la carga extraiga de la fuente de alimentación. Sin embargo, una fuente de alimentación real no puede mantener su voltaje programado cuando hay un aumento rápido en la corriente de carga.


En respuesta a un aumento rápido de la corriente, el voltaje de la fuente de alimentación caerá hasta que el bucle de retroalimentación de regulación de la fuente de alimentación vuelva a llevar el voltaje al valor programado. El tiempo que tarda el valor en volver al valor programado es el tiempo de recuperación del transitorio de carga (Fig. 1).


Tenga en cuenta que si el transitorio de corriente de carga no es un transitorio rápido, sino que sube o baja lentamente, el circuito de retroalimentación de regulación de la fuente de alimentación será lo suficientemente rápido para regular y mantener el voltaje de salida sin ningún transitorio visible. A medida que aumenta la velocidad de borde del transitorio de corriente, excede la capacidad del circuito de retroalimentación de la fuente de alimentación para "mantener" y mantener el voltaje constante, lo que resulta en un evento transitorio de carga.


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1. El tiempo de recuperación del transitorio de carga es el tiempo "X" para que el voltaje de salida se recupere y permanezca dentro de "Y" milivoltios del voltaje de salida nominal después de un cambio de paso de amperios "Z" en la corriente de carga. "Y" es la banda de recuperación o banda de asentamiento especificada, y "Z" es el cambio de corriente de carga especificado, generalmente igual a la clasificación de corriente de carga completa del suministro.




El tiempo de recuperación del transitorio de la fuente de alimentación se mide desde el comienzo del transitorio de la corriente de carga hasta que la fuente de alimentación se estabiliza y vuelve a alcanzar el valor programado. Pero cada vez que especifique "alcanza un valor programado", debe especificar dentro de una banda de tolerancia. Por lo tanto, el tiempo de recuperación transitorio de carga de la fuente de alimentación se especifica como el tiempo requerido para alcanzar una banda de tolerancia de algún porcentaje del valor programado, algún porcentaje de la salida nominal o incluso una banda de tolerancia de voltaje fijo. La tabla muestra algunos ejemplos de especificaciones transitorias de la fuente de alimentación.  


Si observa la fuente de alimentación Keysight N7952A, puede ver que la banda de tolerancia del tiempo de recuperación transitoria se especifica como 100 mV. Al medir el tiempo de recuperación transitorio, si el voltaje de salida es de 25 V, debe medir cuánto tiempo le toma a la fuente de alimentación recuperarse dentro de ±100 mV alrededor de 25 V.






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Los amplificadores de potencia ejemplifican por qué es importante el tiempo de recuperación transitorio


Veamos una aplicación de ejemplo donde la respuesta transitoria de la fuente de alimentación de CC es importante. Al probar amplificadores de potencia (PA) utilizados en dispositivos móviles (como teléfonos celulares o tabletas), es muy importante que el voltaje de polarización de CC en el dispositivo bajo prueba (DUT) permanezca en un voltaje fijo y estable. Si el voltaje fluctuara o cambiara durante la prueba, no se mantendrán las condiciones de prueba adecuadas y las mediciones de potencia de RF resultantes en el dispositivo bajo prueba no serán correctas.     


En este caso de la AP, la situación se agudiza por el perfil actual. El PA transmite en pulsos y, por lo tanto, extrae corriente de la polarización de CC en pulsos. Estos pulsos tienen velocidades de borde rápidas y, por lo tanto, presentan transitorios de carga significativos en la polarización de CC. Cada vez que el PA pulsa, consume mucha corriente, lo que reduce la fuente de alimentación de polarización de CC. La fuente de alimentación se recuperará rápidamente; sin embargo, durante el tiempo en que la fuente de alimentación está respondiendo al transitorio, su voltaje no está en el valor deseado para la prueba. Una vez que se recupere la fuente de alimentación, el PA funcionará en las condiciones de prueba adecuadas y, por lo tanto, será posible realizar las mediciones de potencia de RF adecuadas. 


Con miles de millones de PA que se fabrican y prueban cada año, el rendimiento de las pruebas es fundamental. Si la fuente de alimentación se recupera lentamente, agrega tiempo de prueba al PA y, por lo tanto, ralentiza el rendimiento de la prueba de fabricación. Los fabricantes de PA, por lo tanto, buscan fuentes de alimentación de recuperación rápida para garantizar que puedan lograr el máximo rendimiento de prueba de fabricación. Observan la especificación del tiempo de recuperación transitoria para determinar qué suministro será el mejor para su aplicación. Por lo tanto, el proveedor de la fuente de alimentación debe poder medir con precisión el tiempo de recuperación transitorio de la fuente de alimentación para presentar la mejor especificación posible a los fabricantes de PA.


Medición del tiempo de recuperación transitorio


La parte desafiante de medir el tiempo de recuperación transitorio de carga es determinar cuándo el voltaje ingresa a la banda de tolerancia. El voltímetro promedio puede medir fácilmente si el voltaje de salida de CC está dentro de la banda de tolerancia. Sin embargo, es un instrumento lento y no podrá muestrear lo suficientemente rápido para dar una medición de tiempo significativa con una resolución adecuada para decir qué tan rápido el voltaje entró en la banda de tolerancia.


Mirando más allá del voltímetro promedio, ciertos voltímetros de alta velocidad pueden medir decenas de miles de lecturas por segundo con suficiente precisión para detectar cuándo el voltaje de la fuente de alimentación entra precisamente en la banda de tolerancia. Un ejemplo de ello es el DMM 34470A de Keysight. A medida que mejoran los tiempos de recuperación transitorios, estos voltímetros, incluso capturando datos a 50 kmuestras/s, se vuelven demasiado lentos para capturar el tiempo de recuperación rápido.  


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Un osciloscopio sería una herramienta más razonable de usar, ya que puede capturar y visualizar fácilmente transitorios muy rápidos. Sin embargo, el alcance promedio generalmente tiene una precisión vertical del 1% al 3% y una resolución de 8 bits. En consecuencia, se esfuerza por proporcionar suficiente precisión vertical y resolución para ubicar con precisión cuándo el voltaje de salida de CC alcanza la banda de tolerancia estrecha. 


Al colocar el osciloscopio en acoplamiento de CA, intenta ampliar la banda de tolerancia. Sin embargo, se introducirá un error ya que el nivel de CC estable posterior al transitorio se distorsionará debido al acoplamiento de CA. Esto podría dificultar la identificación precisa del nivel de CC posterior al transitorio dentro de la banda de tolerancia, ya que el acoplamiento de CA “reduce” el voltaje de CC establecido.


Otra opción sería dejar el osciloscopio en acoplamiento de CC, pero utilizar un desplazamiento de CC grande en el osciloscopio para ampliar la banda de tolerancia. Esto funciona bien con salidas de CC en el nivel de 0 a 10 V, pero a medida que aumenta la salida de CC, la desviación de CC también debe aumentar. Con compensaciones de CC grandes, los voltios/división mínimos también deben aumentar para admitir la compensación de CC grande, lo que da como resultado una resolución de medición menor en la banda de tolerancia.  


Para fuentes de alimentación con una banda de tolerancia de voltaje más amplia, se pueden usar osciloscopios para realizar estas mediciones. De hecho, los osciloscopios de Keysight ofrecen un software de análisis de potencia incorporado que realiza mediciones de respuesta transitoria a través de operaciones llave en mano (visite www.keysight.com/find/scopes-power). Los osciloscopios de mayor rendimiento, con 10 o 12 bits de resolución, tienen más flexibilidad y extremos frontales más avanzados, lo que les permite realizar estas mediciones incluso para bandas de tolerancia de voltaje estrechas. Sin embargo, estos endoscopios no son tan comunes en la mesa de laboratorio promedio.


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2. Esta captura de pantalla del Keysight IntegraVision Power Analyzer muestra la medición del tiempo de recuperación de transitorios de voltaje.




Para fuentes de alimentación con bandas estrechas de tolerancia de voltaje, un analizador de calidad de energía de alto rendimiento puede realizar esta medición, siempre que tenga la capacidad de medición de disparo único. Se necesita una medición de disparo único porque el transitorio es un evento de disparo único desencadenado por el flanco ascendente del pulso de corriente. Alternativamente, si puede generar un transitorio de corriente de carga repetitivo, como una onda cuadrada donde la corriente salta entre valores de corriente altos y bajos, puede usar un analizador de potencia sin medición de disparo único para capturar el evento transitorio repetido.  


Los analizadores de potencia de alto rendimiento tienen una precisión vertical superior al 0.1 %, una resolución de 16 bits y velocidades de digitalización de 1 Mmuestra/so más. Esta combinación de digitalización rápida y medición de voltaje precisa le permite medir fácilmente la respuesta transitoria de la carga de la fuente de alimentación e identificar cuándo se alcanza la banda de tolerancia estrecha. Dado que un analizador de energía puede medir directamente el voltaje y la corriente sin sondas, puede configurar rápidamente esta medición para que se active desde el flanco ascendente de la corriente y luego medir el tiempo de recuperación del voltaje.  


Un analizador de energía con esta capacidad es el Analizador de energía IntegraVision (Fig. 2), que proporciona una digitalización de 5 Mmuestras/s de disparo único a 16 bits simultáneamente tanto en voltaje como en corriente, con una precisión básica del 0.05 %, todo mostrado en una gran pantalla táctil a color . La medición se realiza en un suministro de 10 V que se pulsa entre 2 A y 8 A. Su banda de recuperación transitoria es de ±100 mV.


Con los dos marcadores Y de IntegraVision, puede identificar la parte superior (10.1 V) y la parte inferior (9.9 V) de la banda de tolerancia de voltaje. Luego, con los dos marcadores X, puede identificar cuándo comienza el transitorio en la forma de onda actual con el marcador X1 y cuándo el voltaje ingresa a la banda de tolerancia con el marcador X2. La diferencia de tiempo entre X1 y X2 es el tiempo de recuperación transitorio, medido como 90.4 μs.

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