Comprendere i diagrammi di Bode

Il margine di faseè misurato alla frequenza in cui il guadagno è uguale a 0 dB. Questa è comunemente chiamata “frequenza di crossover”. Il margine di fase è una misura della distanza tra la fase misurata e uno spostamento di fase di -180°. In altre parole, di quanti gradi la fase deve essere diminuita per raggiungere -180°.

Il margine di guadagno, invece, è misurato alla frequenza a cui lo spostamento di fase è pari a -180°. Il margine di guadagno indica la distanza, in dB, dal guadagno misurato a un guadagno di 0 dB. Questi valori, 0 dB e -180°, sono importanti perché se questi due valori si incontrano si verifica l'instabilità del sistema.

I margini di guadagno e di fase rappresentano la distanza dai punti in cui potrebbe verificarsi l’instabilità. Maggiore è la distanza o il margine, meglio è, perché margini di guadagno e di fase più alti significano maggiore stabilità. Un anello con un margine di guadagno di zero o anche meno sarebbe solo condizionatamente stabile e potrebbe facilmente diventare instabile se il guadagno cambiasse. Un obiettivo tipico per il margine di fase è di essere almeno 45 gradi, e valori ancora più alti potrebbero essere desiderabili in applicazioni più critiche.

Oltre alle considerazioni sulla sicurezza, le prestazioni sono influenzate anche da valori che possono essere determinati dai diagrammi di Bode. Per esempio, una frequenza di crossover a 0 dB più alta di solito significa una risposta più veloce ai cambiamenti di carico. E un guadagno più basso a frequenze più alte significa una migliore immunità al rumore o una minore ondulazione di uscita.

Diagramma di Bode rispetto a test di carico transitorio e test di risposta al gradino

Esistono altri modi comuni per quantificare o misurare la stabilità degli alimentatori, come i test dei transitori di caricoo di risposta al gradino. Anche se questo metodo è ben compreso e ampiamente utilizzato, può essere difficile costruire un circuito per generare un gradino di carico veloce, soprattutto se c’è una certa induttanza tra l’unità di alimentazione e il generatore del gradino di carico.

I diagrammi di Bode offrono diversi vantaggi importanti che non si trovano in questo metodo:

• La risposta al gradino mostra solo il comportamento su larga scala, mentre i diagrammi di Bode possono anche mostrare il comportamento su una scala più piccola.
• I diagrammi di Bode possono anche essere facilmente realizzati a diversi livelli di carico o punti di funzionamento. Questo è un fatto importante, perché la stabilità dell’anello dipende spesso dal punto di funzionamento. Un sistema di alimentazione potrebbe sembrare stabile, ma si avvicina all’instabilità in diverse condizioni di carico.

Misurazione della stabilità ad anello chiuso con i diagrammi di Bode

Per descrivere meglio l’applicazione dei diagrammi di Bode, la stabilità ad anello chiuso di un alimentatore DC/DC viene misurata determinando la risposta ad anello chiuso. Ciò può essere verificato con il metodo dell’iniezione di tensione. Questo metodo aggiunge una resistenza molto piccola, di solito dell’ordine di 10 ohm, nell'anello di retroazione. Un punto va scelto in modo tale che l’impedenza guardando nella direzione dell’anello di retroazione sia molto più grande dell’impedenza guardando indietro. Un piccolo segnale interferente viene poi iniettato attraverso la resistenza. Ciò viene normalmente fatto utilizzando un cosiddetto trasformatore di iniezione per evitare di influenzare l’anello. Viene poi misurata la risposta e vengono generati i corrispondenti diagrammi di Bode.

Strumenti per misurare la risposta ad anello chiuso

Due diverse categorie di strumenti possono essere utilizzate quando si misura la risposta ad anello chiuso. Il primo di questi è un analizzatore di reti vettorialio VNA. Un VNA di solito ha una gamma dinamica molto alta, che gli permette di effettuare misure di impedenza molto precise. Uno svantaggio nell’uso di un VNA, oltre al costo e alla complessità, è che i VNA sono più adatti per la caratterizzazione di componenti a 50 ohm. Gli oscilloscopi, invece, sono già comunemente utilizzati nello sviluppo degli alimentatori e permettono di ottenere una caratterizzazione diretta del rumore e dell’ondulazione di uscita. Gli oscilloscopi possono ora anche effettuare misure di stabilità, come il guadagno e il margine di fase, il rapporto di reiezione dell’alimentazione e la risposta al gradino.

Configurazione del test: Come misurare la risposta dell'anello di controllo con un oscilloscopio

Per misurare la risposta dell’anello dell’ alimentatore DC-CC, un segnale interferente deve essere iniettato nell’anello. Pertanto, va scelto un punto in cui l’impedenza guardando in direzione dell’anello è molto più grande dell’impedenza guardando indietro. Una piccola resistenza viene inserita nel punto di iniezione e la tensione di disturbo è applicata in parallelo alla resistenza di iniezione utilizzando un trasformatore di iniezione a banda larga. Il segnale interferente è creato dal generatore interno dell’oscilloscopio. Due canali dell’oscilloscopio sono collegati a entrambi i lati del punto di iniezione. Sulla base dei valori misurati, l’oscilloscopio genera e visualizza i diagrammi di Bode.

Quando si misura la risposta ad anello chiuso, è importante utilizzare le sonde giuste. Le ampiezze da picco a picco nei punti di misurazione possono essere molto basse ad alcune frequenze di test. Per questo motivo, le sonde passive 1x sono raccomandate rispetto alle più comuni sonde 10x. Se il rapporto segnale/rumore è aumentato, ciò migliora anche la gamma dinamica delle misure di risposta in frequenza. È anche importante utilizzare una molla di massa o un collegamento di massa molto corto per ridurre la raccolta di rumore di commutazione ed evitare gli anelli induttivi di massa.