使用數字萬用表測量電源瞬態恢復時間

作者：泰克科技技術大咖 Josh Brown

簡單地說，瞬態恢復時間是施加負載后電源恢復到設定電平所需的時間長度。不設計電源的人一般會想當然，我們在工作中不管用的是哪種電路，可能只有在電源性能劣化到影響工作時才會注意到它。電源和人有點兒像，如果你問的問題比他知道的多，那么他可能會達不到你的預期。

我們用一個類比來幫助說明考慮電源壓力的重要性。如果有人投給你一個棒球，告訴你抓住時球要保持在同一高度，前探或后縮幾英寸(或幾厘米)，在一秒內完成。棒球(負載)相對較輕，在抓住它時，您的手幾乎不會移動。(當然前提是你要有一個精準的投手。)

現在想象一下，有人投給你一個保齡球，對你的反應提出同樣的限制。你的手不僅要移動，你的身體也要移動進行配合助力，因為重量變了。球是否導致你保持的高度相對于目標高度發生變化？變化量有多大？你完全抓住并握緊球了嗎？如果不能保持在一定的高度容限內，你能在允許的1秒間隔內穩定高度嗎？很明顯，這個挑戰要大得多(除非你是一名NFL前鋒)。類似的，如果電源上放置的負載超過其處理能力，那么它會很難滿足你的要求。

那么怎樣才知道自己跑得遠不遠呢？這時使用DMM全面表征瞬態恢復特點就成了關鍵。

在深入具體細節前，我們先討論一下開關頻率，因為這有助于確定你選擇哪種儀器來評估有問題的行為。盡管線性電源和開關式電源都受到瞬態恢復時間指標影響，但開關式電源以預定頻率工作，自然有更多的噪聲，信號活動要更雜散。開關式電源使用的頻率范圍一般為10 kHz ~ 1 MHz。由于示波器的采樣率高，提供了優秀的可視工具，因此示波器特別適合評估瞬態恢復時間，其中使用電平觸發捕獲事件，使用屏幕光標進行數學和測量分析。

你可能還會考慮擁有高速采樣功能的數字萬用表，工作臺上可能已經有這種儀器。某些DMM型號很多年前就能夠采樣高達50 kHz，較新的型號則能夠支持高達1 MHz。隨著速度而來的是有更多的高速采樣機會，因為其測量靈敏度要高于大多數示波器。

為說明怎樣測量瞬態恢復時間，我們使用德儀公司生產的LM25088MH-1EVL評測電路板，其能夠從高達36V的輸入電源提供5V電壓及高達7A電流。在略加改動后，我們把它重新配置成以25 kHz頻率開關。我們使用Keithley 2230A-30-3三通道DC電源其中兩條通道，提供10V輸入信號（最高6A 電流）為評測電路板供電。我們還使用Keithley 2380-500-15電子負載吸收一定量的電流。在這種情況下，我們想把LM25088MH推到其7A極限，看它如何反應。我們使用DMM6500，先評估電子負載吸收大電流時的電壓響應，然后再查看電流響應。

為評估瞬態恢復電壓，我們把儀器連接如下：

在把2230A電源設置成在兩條輸出通道上輸出10V @ 3A (以確保為電源轉換提供足夠的電流)后，我們把2380電子負載設置成吸收7A的恒定電流。我們打開2230A的輸出，同時關閉2380。我們把DMM6500配置成數字化電壓，把采樣率設置成1 MS/s，數量為10k讀數，然后輕觸Set Up Trigger按鈕，出現波形捕獲選項，從Source Event選項中選擇Analog Edge。

由于我們預計在應用負載時電壓會有一定下降，所以我們把電平設置成4.925 V，斜率設置成下降沿。選擇之后，我們可以使用Position選項在圖表上調節波形的水平表示。為啟動DMM6500開始監測事件，我們輕觸屏幕左上角的CONT信號器，這時會出現一個下拉菜單，其中有多個觸發選面，選擇Initiate Trigger Model。

最后，我們打開2380電子負載，應用有效步進功能，吸收7A電流。DMM6500將捕獲采樣的波形，顯示在Graph圖表一欄中。這會顯示對LM25088MH開關式電源的輸出應用負載時的瞬態響應。輕觸DMM6500屏幕，放大感興趣的區域，可以進一步進行評估，打開光標，得到信號電平(y軸信息)隨時間(x軸信息)變化指標。我們可以看到，開關式電源在大約1.5毫秒后穩定。更有意思的是應用負載后產生大的暫降，驅動輸出電壓最低達到3.466 V。

與應用負載時的瞬態恢復同樣重要的，是在移除相同的負載時會發生什么情況。為捕獲這種情況，我們輕觸DMM6500上的Trigger標簽，把電平變成5.1 V，斜率變成Rising上升沿。可以像之前一樣（使用下拉菜單選項），或按儀器前面板DMM顯示屏左面的TRIGGER鍵，觸發DMM。然后關閉2380電子負載，可以在DMM6500圖表上看到開關式電源的恢復波形。

我們不用在顯示屏上同時啟用水平光標和垂直光標，而是只使用垂直光標，滑動屏幕底部的信息條，出現VCurs or Stats。這會提供兩個豎條之間數據點的基本統計信息。因此，我們不需啟用和調節水平光標，就可以確定移除負載時開關式電源的峰值是6.953 V。我們可以把右手光標設置到輸出變平坦前小的暫降發生的地方，發現恢復響應時間大約是125毫秒。我們也可以放大峰值點區域，更好地查看電壓信號的行為方式。

現在我們把注意力轉向電流信號，使用同一條電路，但DMM6500與2380電子負載串聯。注意記錄，因為我們處理的是很大的電流(7 A)，我們需要使用DMM背面提供的10 A電流輸入連接.

觸發選項設置與之前類似，但現在我們在預計的7 A信號的中點觸發，斜率仍設置成Rising上升沿。

我們再次觸發DMM6500(通過下拉菜單)，然后打開2380電子負載 – DMM對波形事件的響應沒問題。在移除負載時重復這個過程，我們也使用屏幕光標迅速分析數據，顯示電流暫降到-2.5 A。

盡管我們的注意力一直放在高功率波形捕獲上，但我們仍要注意數字萬用表提供的電流靈敏度優勢。當前設計的許多器件都必須盡可能節能，以延長電池續航時間。LM25088MH評測電路板的這條開關電路可以集成到低功率無線設計中，在跳變到不同狀態(睡眠、待機、傳感、處理等)時，必須評估各個元件吸收的弱電流。捕獲低電流波形事件的過程與上面列出的過程相同，但更低的范圍使得用戶可以監測弱電流。例如，如果我們把負載設置成5 mA，使用DMM6500上的10 mA量程，那么我們可以查看微安級讀數。