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Bod100環路分析儀應用開關電源增益穩定性分析

發布時間:2018-03-21信息來源:國測電子

Bod100環路分析儀應用開關電源增益穩定性分析



隨著電子,自控,航天,通訊,醫療器械等技術不斷向深度和廣度的發展,勢必要求為期供電的電源要有更高的穩定性,即不僅要有好的線性調節率、負載調節率還要有快速的動態負載響應。而這些因素都和控制環路有關,控制環路一般工作在負載狀態,稱之為電壓負反饋。如果變換器中沒有用到反饋控制環路(圖1H部分),其傳遞函數一般為C/R=G,其中G為輸入濾波,功率變換、整流濾波部分等因數的乘積(其為級聯的形式,所以本文中以總乘積因子G來表示),可以看出輸出隨輸入的變化而成線性的變化,但是由于整流、濾波網絡在整個時域的非線性,實際上這種變化應該是近似于線性,所以當輸入電源改變的時候并不能很好的氣到穩壓的作用。如果反饋環路設計的不好,對應負載的瞬態改變,環路就不能做出及時恰當的調整,那么輸出電源瞬間會偏高或者偏低,甚至有可能會造成電源系統的振蕩,對下一級構成損壞。此時若能夠對環路測量就顯得很重要了。那么環路部分有是怎么影響整個回路的呢?

參考DELTA公司AC-DC系列產品,下圖表示的反饋環路控制部分中的運放的環增益模型,其傳遞函數為C/R=G/(1+GH),其中G:開環增益。H:反饋系數。GH:環增益(可以通過圖1推導)




一、環增益穩定的標準

由傳遞函數C/R=G/(1+GH),放大器的開環增益G是頻率的函數,會隨著頻率的增加而減小,同時也和放大器的相位有關,當GH=-1,則其傳遞的值為∞,即增益是無窮大的,可以認為任意小的輸入擾動都能引起輸出的無窮大,如果這種輸出無窮大的信號在反饋到功率變換環節,勢必會造成最后輸出的振蕩,整個系統因而不在穩壓。所以說可以通過分析GH的增益和相位來判斷系統的穩定性。

又因為當GH=-1時是振蕩的,所以有相移∠GH180°(因為負反饋本身就有180°的相移),回路增益|GH|=10dB.所以要使運放穩定需要滿足以下條件:

1. 相位條件就是要其相移小于180°,即要有45°以上的余量,增益條件一般要求有-12dB以上余量。

2. 穿越頻率按20dB/Dec閉合。相關解釋下文介紹。

二、Bode圖基礎

我們可以通過環增益GH的頻率特性來判斷系統的穩定性,而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的頻率特性可以用Bode圖(圖2)來表示,并且系統的穩定性可以通過Bode圖中的相位余量(Phase margin),增益余量(gain margin),穿越頻率(crossover frequency)來衡量。其中

相位余量(Phase margin)是指:增益降到0dB時所對應的相位,以度(deg)為單位表示(圖2)。

增益余量(gain margin)是指:相位為0時所對應的增益大小,以分貝(dB)為單位來表示(圖2)。

穿越頻率(crossover frequency)是指:增益曲線穿越0dB時的頻率點(圖2)。




相位余量的作用是確保在一定條件下(包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負載變化、溫升等)系統都能夠穩定,使用在標稱輸入額定負載室溫下,要有45度的余量。如果輸入電源、負載、溫度變化范圍非常大,相位余量不應小于30度。增益余量為了不接近不穩定點,一般認為-12dB以上是必要。

穿越頻率頻帶寬度的大小可以反映控制環路響應的快慢。一般認為寬度越寬,其對負載動態響應的抑制能力就越好,過沖,欠沖越小,恢復時間越就越快,系統從而可以更穩定。但是由于受到右半平面零點的影響,以及原材料、運放的帶寬不能無窮大等綜合因素的限制,電源的帶寬也不能無限制的提高,一般取開關頻率的1/20~1/6


三、環路的測試

對環路的增益和相位的測量,我們通常可以利用環路分析儀(FRA)或增益-相位分析儀進行測量。這些儀器是通過對采樣獲得的模擬信號進行預處理,然后通過A/D轉換,在利用DFT(離散傅里葉變換)運算求得增益和相位,最后用曲線(Bode plot)表示出來。

    本文將以OMICRONI-LAB公司的環路分析儀(Bode100)來做分析,主要按照下邊的連接圖來進行,特別需要注意的是注入電阻的位置,以及大小,為了減小測量誤差,實驗一般選取10~100Ω的電阻,有關擾動信號的大小我們可以在測試的過程中通過示波器讀出,也可以利用FRA的振幅壓縮(Amplitude compression)功能來設置,不過要求擾動的幅度不能超過電壓的5%,否則測出來的結果是不準確的。




四、開關電源穩定性測試案例:

在了解影響產品穩定性的因素和判定準則以及怎樣來檢測產品后,就可以對所測的產品結果進行分析了。下面就以DELAT公司寬壓系列的一款產品來做實驗,實際接地部分見(圖3),測試結果見(圖4)。增益(可通過圖1推導)。





在這案例中,從上圖可以看出其增益余量是-9.499dB,相位余量是83deg,帶寬是20.49KHz,但是83deg的相位余量其動態是欠阻尼的,其實可以通過對誤差放大器補償網絡在稍低的頻率下滑落(roll off)來實現。在保證相位余量的前提下,在0dB以下增益可以按-40dB/decade衰減,從而更有利于抑制高頻干擾,其達到最佳響應。

0dB交點對應的頻率為20.49KHz,若需要更高的帶寬,可以使用更小輸出濾波電容便可以產生較小的紋波電壓,這樣也可以減少原材料的使用和模塊電源的體積,從而使模塊電源變得更節能。考慮到非常保守的增益和相位余量,當然也可以對誤差放大器的補償環節進行一些小的改動,合理的提升帶寬,使系統達到更快的響應,提高穩定性。

另外,在測試過程中,開關電源的環路增益和相位通常建議在空載,半載和滿載的情況下分別測試。至于激勵信號的功率高低的選擇,一般情況下需要在測量頻率比較低時要把注入的交流激勵信號的功率設得高一些,例如-20dBm-30dBm。環路測試過程中電容ESR測試也是非常重要的,而OMICRON-LAB公司的環路分析儀Bode100高達40MHz頻率,極大方便了被動器件頻率特性測量。

五、總結:

從反饋環路增益相位的角度講述了如何測量開關電源穩定性,給出穩定性的標準,Bode圖的認識,FRA的使用包括鏈接示意圖、環路特性的測量,以及實驗結果的簡單分析,最后提出改善的建議。當然系統的穩定性也可以由時域方式來做定性的分析,但是通過環路分析儀卻可以在頻率域上定量的求出,從而對系統的性能做出更直觀的判斷。尤其在業界激烈競爭及客戶交期非常短的情況下對電源進行頻域文檔行分析就顯得極為重要。在測量開關電源負反饋環路頻率響應,建議使用專用的環路分析儀或矢量網絡分析儀,如Bode100E5016B



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