Mạch nguồn chạy tốt trên bàn thử không có nghĩa là nó ổn định. Một bộ biến đổi chuyển mạch có thể cấp đúng điện áp, đúng dòng, hiệu suất đẹp, rồi dao động khi gặp một bước tải đột ngột trong máy khách hàng. Nguyên nhân gần như luôn nằm ở vòng hồi tiếp: nó vẫn hoạt động, nhưng khoảng dự phòng còn lại quá mỏng.
Điện áp đầu ra ở trạng thái xác lập không cho biết điều đó. Muốn biết, phải đo đáp ứng vòng điều khiển nguồn theo tần số, tức là dựng hàm truyền vòng hở của mạch rồi đọc hai con số: còn bao nhiêu độ pha và bao nhiêu decibel trước khi hệ chuyển sang dao động.
Vì sao phải đo đáp ứng vòng điều khiển nguồn thay vì chỉ thử bước tải
Thử bước tải là phép thử quen thuộc và vẫn hữu ích: đóng một tải giả, nhìn điện áp đầu ra vọt lố rồi ổn định lại. Vấn đề là nó chỉ trả lời có hay không. Nếu dạng sóng gợn vài chu kỳ rồi tắt, kỹ sư biết mạch còn ổn định, nhưng không biết còn cách ngưỡng mất ổn định bao xa, cũng không biết phải sửa ở tần số nào.
Phép đo theo tần số trả lời đúng hai câu đó. Bằng cách kích thích vòng hồi tiếp ở từng tần số trong một dải rộng và đo hệ thống phản ứng thế nào, ta dựng được biểu đồ Bode của vòng hở, gồm đường biên độ theo decibel và đường pha theo độ. Từ hai đường này đọc ra khoảng dự phòng còn lại, và quan trọng hơn, biết khoảng dự phòng đó bị ăn mòn ở dải tần nào để chỉnh mạng bù cho đúng chỗ.
Khác biệt thực tế rất lớn. Thử bước tải nói “mạch chạy được”; biểu đồ Bode nói “mạch chạy được với biên pha 38 độ, và cần dịch điểm cực bù xuống thấp hơn”. Một bên là quan sát, một bên là chỉ dẫn sửa chữa.
Tiêm tín hiệu qua điện trở: nguyên lý của phép đo
Điểm tinh tế của phép đo này là vòng hồi tiếp phải tiếp tục đóng trong suốt quá trình đo. Không thể cắt vòng ra để đo vòng hở, vì cắt ra là mạch mất điều khiển và điện áp đầu ra chạy đi mất ngay lập tức.
Cách giải quyết là chèn một điện trở nhỏ vào nhánh hồi tiếp, thường là nối tiếp trên đường từ đầu ra về cầu phân áp hồi tiếp. Vòng vẫn đóng về mặt một chiều, vì điện trở nhỏ gần như không làm đổi điểm làm việc. Sau đó tín hiệu quét tần được tiêm cách ly ngang qua chính điện trở đó, tạo ra một nhiễu loạn nhỏ chạy vòng quanh hệ.
Hai kênh máy hiện sóng đặt ở hai đầu điện trở tiêm. Tỉ số biên độ giữa chúng cho biết hệ số khuếch đại vòng hở tại tần số đang quét, còn độ lệch pha giữa chúng cho biết pha. Quét hết dải tần và ghép lại là có biểu đồ Bode hoàn chỉnh.
Có hai chi tiết dễ làm hỏng phép đo. Thứ nhất, điện trở tiêm phải nhỏ so với trở kháng mà cầu phân áp hồi tiếp nhìn thấy, thường ở mức vài chục ohm; chọn quá lớn là làm đổi chính vòng đang cần đo. Thứ hai, việc tiêm tín hiệu qua điện trở phải đi qua biến áp tiêm để cách ly, nếu không nguồn quét sẽ nối đất chung với nhánh hồi tiếp và tạo ra một đường vòng ký sinh khiến kết quả vô nghĩa.
Đọc biên pha và biên khuếch đại
Biên pha được lấy bằng 180 độ trừ đi độ trễ pha đo được tại tần số cắt khuếch đại, tức tần số mà đường biên độ cắt mức 0 dB. Biên khuếch đại là khoảng cách từ đường biên độ xuống dưới mức 0 dB, đo tại tần số mà độ trễ pha chạm 180 độ.
Về ngưỡng thực hành, biên pha nên trên 45 độ và 60 độ là mốc thường được nhắm tới trong thiết kế nguồn. Biên khuếch đại nên từ 6 đến 10 dB trở lên. Hai con số này đi với nhau: một vòng có biên pha đẹp nhưng biên khuếch đại mỏng vẫn là một vòng dễ tổn thương, vì chỉ cần dung sai linh kiện đẩy hệ số khuếch đại lên một chút là hệ vượt ngưỡng.
Chọn dải quét cũng quyết định chất lượng kết luận. Quy tắc thực dụng là bắt đầu từ một đến hai thập kỷ dưới tần số cắt dự kiến và dừng ở một thập kỷ trên nó. Với một vòng cắt quanh 50 kHz, quét từ 100 Hz đến 1 MHz sẽ thấy rõ cả phần tần thấp lẫn phần tần cao. Quét quá hẹp thì đường cong bị cắt cụt đúng chỗ cần nhìn.
Những sai số thường gặp khi đo trên bàn
Sai số hay gặp nhất là biên độ tiêm quá lớn. Người đo muốn tỉ số tín hiệu trên nhiễu đẹp nên tăng mức kích thích, nhưng khi mức kích thích đủ lớn để đẩy mạch vào vùng phi tuyến thì hàm truyền đo được không còn là hàm truyền tín hiệu nhỏ nữa. Dấu hiệu nhận biết là kết quả đổi theo biên độ tiêm; hãy giảm dần biên độ cho tới khi đường cong ngừng thay đổi.
Sai số thứ hai đến từ điểm làm việc. Đáp ứng vòng của một bộ biến đổi chuyển mạch phụ thuộc vào dòng tải và điện áp đầu vào. Một biểu đồ Bode đo ở nửa tải không đại diện cho hành vi ở đầy tải, và điện dung tương đương nối tiếp của tụ đầu ra còn trôi theo nhiệt độ. Vì vậy phép đo nên lặp ở vài điểm làm việc biên, ít nhất là tải nhẹ nhất và tải nặng nhất, với điện áp đầu vào ở hai đầu dải.
Sai số thứ ba là bỏ qua chất lượng nguồn cấp đầu vào. Nếu nguồn cấp cho mạch cần đo có trở kháng ra không đủ thấp, nó tham gia vào vòng và làm méo kết quả. Đây là chỗ chất lượng bộ nguồn phòng thí nghiệm ảnh hưởng trực tiếp tới số liệu, chứ không chỉ là thứ để cấp điện. Vấn đề trở kháng nguồn này cũng chính là mạch nối giữa đo đáp ứng vòng và phân tích mạng phân phối nguồn, chủ đề đã bàn trong bài về đồng mô phỏng PDN và jitter do nguồn cảm ứng.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo này
Phép đo cần ba thứ: một nguồn cấp sạch và ổn định cho mạch, một nguồn quét tần, và một máy đo hai kênh có khả năng tính tỉ số biên độ cùng lệch pha theo tần số.
Về nguồn cấp, Keysight E36234A là bộ nguồn tự động đổi dải công suất 400 W với hai đầu ra 60 V, 10 A. Hai đầu ra hoạt động độc lập và cách ly hoàn toàn, có thể ghép nối tiếp để nâng điện áp lên tới 120 V. Với phép đo đáp ứng vòng, thông số đáng quan tâm là độ sạch của nguồn: mức nhấp nhô và nhiễu dưới 350 µVrms, sai số đặt điện áp 0,03% và sai số đặt dòng 0,1%, đủ để nguồn cấp không trở thành biến số trong kết quả.
Về phía đo, máy hiện sóng tín hiệu hỗn hợp Keysight MSOX3024T băng thông 200 MHz có sẵn chức năng phân tích đáp ứng tần số, dùng chính bộ phát sóng tích hợp để kích thích mạch rồi thu tín hiệu vào và ra trên hai kênh, và hiển thị trực tiếp biểu đồ Bode cùng các số đọc biên pha, biên khuếch đại. Với đa số bài đo nguồn trên bàn, một thiết bị làm trọn cả chuỗi này tiết kiệm đáng kể thời gian thiết lập so với ghép nhiều máy rời.
Khi cần nguồn kích thích tốt hơn bộ phát tích hợp, hoặc cần dạng sóng đặc biệt cho các bài đo khác trong cùng dự án, bộ phát sóng hàm và tuỳ ý Keysight 33521B cung cấp tần số tới 30 MHz, tốc độ lấy mẫu 250 MSa/s và độ phân giải 16 bit, với biên độ đặt được từ 1 mVpp tới 10 Vpp. Dải biên độ xuống tới mức milivôn rất hữu ích ở đây, vì phép đo đáp ứng vòng cần mức kích thích nhỏ.
Kết luận
Muốn đo đáp ứng vòng điều khiển nguồn cho ra số liệu dùng được, hãy giữ ba nguyên tắc: vòng hồi tiếp phải còn đóng, điện trở tiêm phải nhỏ và tín hiệu phải được tiêm cách ly, và biên độ kích thích phải đủ nhỏ để mạch còn tuyến tính. Sau đó đọc biên pha cùng biên khuếch đại tại đúng các tần số cắt, và lặp phép đo ở vài điểm làm việc biên thay vì tin vào một lần đo duy nhất.
Con số chỉ có ý nghĩa khi thiết bị đo còn trong dung sai. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và hỗ trợ hiệu chuẩn máy hiện sóng, bộ nguồn lập trình cùng bộ phát sóng. Để được tư vấn cấu hình đo hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
