本文作者：Masashi Nogawa，Qorvo資深系統工程師

人們正在提供采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵(GaN) 技術的各種寬帶隙 (WBG) 晶體管….工程師正忙于更換和更新使用傳統晶體管（通常為超結硅MOSFET和絕緣柵雙極晶體管 IGBT）的過時PC板。

該升級流程中的一個熱門領域為用于脈沖負載應用（如激光脈沖驅動器、燈光信標和RF發射器）的電源。在本文中，將脈沖額定功率在48V輸出時為1kW的穩壓器 (VR) 用作被測器件，以評估穩定性，但所述技術也適用于電壓更低或更高的穩壓器和不同的功率水平。

挑戰在哪里？

根據脈沖操作的性質，基于在線時間占空比，用戶可以看到功耗降低的優勢。這意味著散熱/冷卻設計比始終在線的100%運行占空比功率系統（其中冷卻系統可能是整個裝置的主要部分）更省事。

相比之下，脈沖負載應用在電路設計階段有其自己獨特的挑戰，這包括穩壓器控制回路穩定性測試。在評估始終在線的系統時，很容易連接矢量網絡分析儀 (VNA) 或頻率響應分析儀 (FRA)，并運行掃頻幾分鐘以獲得波特圖，即用于評估穩定性的一對增益和相位曲線。

由于用于脈沖負載的穩壓器采用最小冷卻設計，因此它無法在100%的在線占空比下運行，否則原型可能在穩定性測量掃描期間出現危險的過熱。即使您可以使用門控信號輸入端口設法將VNA/FRA同步到您的脈沖負載，一旦原型脈沖負載崩潰和極端浪涌進入分析儀的輸入端口，便很有可能損壞昂貴的VNA/FRA。

在本文中，我們研究了用于替代波特圖的其他著名的回路穩定性測試技術，即階躍響應測試。

小信號與大信號

按照教科書，當施加瞬態負載脈沖時，可通過觀察輸出電壓偏移來評估 VR 控制回路的穩定性。

然而，許多工程師忽略了寫在教科書同一頁上的重要聲明，那就是“…僅適用于小信號”，同時也應該強調大信號可能帶來的問題。這種情況以及可能展現出的復雜性很普通，并不限于采用WBG設備和48V輸出VR的大功率系統。

“小信號”與“大信號”條件之間的關鍵區別在于穩壓器的直流偏置點在瞬態過程中是否顯著移動。例如，使用0A-3A的負載瞬變測試5V/3A輸出VR（許多VR數據手冊中可以找到該條件的各種曲線圖）為大信號瞬變測試。

運行大信號測試時，位于VR控制器芯片或VR板內部和外部的許多電路節點在0A到3A的階躍負載期間會發生轉換。轉換率實際上是有限的，它們可能掩蓋不穩定的行為，在最壞的情況下，VR系統可能出現振蕩，即使在該0A-3A的階躍負載下未出現任何問題。

小信號和大信號之間并沒有明確的界限，但在本文中，我們在輸出電壓中使用 0.5% 的擾動，這足以視為小信號。

對于更多信息，參考文獻充分解釋了瞬態（階躍）響應、相位裕度、穩定性及其與波德圖的關系。

實際測試

在本文所述的測試中，我們使用了以下設備。

? Qorvo內部20A瞬態發生器，作為假脈沖負載

測試設置如圖1所示。

圖1：VR穩定性評估的測試設置

評估策略

我們按以下方式設置此“小信號、負載瞬變”測試：

ACT43850 RFPoL VR通過其48V調壓輸出來供電，通過TPR4000電壓探針來監測輸出。負載電流分別以0A-20A-0A階躍，以使用Qorvo內部瞬態發生器來模擬目標脈沖負載，但通過“PicoStepper”瞬態發生器來疊加連續的額外2A，從而能夠在ACT43850上產生0A-20A-22A-20A-0A的有效負載。

然后對ACT43850輸出電壓響應進行檢查。

小信號瞬態結果

圖2顯示了在測試中觀察到的波形。初始0A-20A階躍代表“大信號”，后續20A-22A和 22A-20A階躍為“小信號”，組合負載周期的總持續時間設為1ms。

圖2：在小信號瞬態負載響應測試中捕獲的電壓波形

我們觀察到第一個瞬態階躍造成大電壓偏移并在100μs內穩定下來。在500μs的時間點后，額外2A階躍造成約+/-200mV的偏差，并在大約50μs內穩定下來。這約占48V輸出的0.5%，所以我們有理由將其稱為“小信號”。

相比之下，0-20A階躍驅動DC偏置點遠離其正常工作范圍，并更改回路響應。產生的非線性指示是大階躍電壓偏移0A-20A和20A-0A的不同幅度與持續時間。請注意，由于使用了Rogowski AC電流探頭，通道3的DC電流水平在測量期間有所降低。

2A小負載階躍的電壓偏移形狀指示接近最佳阻尼，相位裕度約為60度，同時調節電流為 20A，這是一個良好結果。

在設置測試的時候，出現了圖3中所示的響應。初始0A-20A偏移異常過沖，似乎表明欠阻尼，結果發現是由于ACT43850的上游電源進入限流狀態所導致。這是大信號脈沖負載測試可能出現的雜散結果示例。因為在最終測試中，2A負載階躍顯示了小偏移和最佳阻尼。

大信號的可能效應眾多，圖3只是一個示例。

圖3：初始負載階躍的VR輸出電壓的異常過沖由上游電源限流造成

深入見解

教科書告訴我們將階躍負載（瞬態）響應作為回路穩定性評估工具時要滿足的另一個重要條件：即足夠快地使用上升沿和下降沿，與評估的回路帶寬進行比較，我們也清楚 Rogowski探針的速度不足以捕獲PicoStepper的快速沿。

但是，通過使用EMC探針，我們可以監測PicoStepper的實際速度，以確認速度足夠快。圖4顯示了EMC探針所指示的波形。

圖4：EMC探針波形圖

通道4顯示00B H-場強探針的響應，并放大至接近2A負載階躍的下降沿，顯示sub-1ns脈沖。 通過使用示波器的集成功能，我們可以通過Rogowski探針清楚地看到實際電流的形狀，我們知道該絕對值為2A下降沿。

通過在通道4 EMC探針信號上運行FFT，如圖5所示，我們可以看到小信號頻帶寬度。 這是完全相同的波形，但增加了FFT結果。此FFT結果表明，PicoStepper瞬態具有 700MHz的帶寬，足以精確地評估ACT43850約100kHz的回路帶寬。

請注意，在圖2中，我們在700us的時間點上看到了CH1上的尖峰。圖4是該尖峰的放大圖。然后在CH2上，我們看到此時過沖尚未開始。

圖5：通道4 EMC探針信號的FFT

弱相位裕度示例

結論和后續步驟

在了解小信號與大信號瞬態負載測試的區別后，用于脈沖負載的穩壓器可成功地評估回路穩定性。

理論上，該技術適用于高達100MHz的控制回路帶寬，而穩壓器則遠超于該需求。

脈沖負載穩定性測試可用于與末端負載具有長連接的應用，以識別由于這些連接而可能導致的振鈴，高測量帶寬可能有助于在實際功率分配網絡中評估穩壓器的穩定性。

Qorvo正使用Picotest的新原型軟件從這些小信號響應波形（圖6）中提取更詳細的控制回路信息。

參考文獻

*Ref1 - 功率電子設備的基本原理：Robert Erickson，施普林格出版社