深度解析:環(huán)路分析測(cè)試原理
發(fā)布時(shí)間:2019-05-16 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】開(kāi)關(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率,已經(jīng)成為了電源的主流產(chǎn)品。與此同時(shí),環(huán)路分析測(cè)試作為其重要的測(cè)試方法也越來(lái)越被大家所使用。本文將深入介紹該測(cè)試方法的原理和應(yīng)用。
環(huán)路測(cè)試
開(kāi)關(guān)電源是一種典型的反饋控制系統(tǒng),其有響應(yīng)速度和穩(wěn)定性兩個(gè)重要的指標(biāo)。響應(yīng)速度就是當(dāng)負(fù)載變化或者輸入電壓變化時(shí),電源能迅速做出調(diào)整的速度。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源的負(fù)載多數(shù)情況下都是數(shù)字IC,其電流會(huì)隨著邏輯功能的變化而變化,比如FPGA在進(jìn)行配置時(shí),電流會(huì)增大一倍以上。而開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓也會(huì)有一定程度的波動(dòng)。為了保證電源穩(wěn)定輸出,不產(chǎn)生跌落或者過(guò)沖,就要求電源必須迅速做出調(diào)整,使得最終輸出的電壓沒(méi)有變化。而電源的響應(yīng)速度就決定了電源的調(diào)整速度。
由于電源加入了反饋系統(tǒng),就可能發(fā)生震蕩。如果電源系統(tǒng)的參數(shù)沒(méi)有設(shè)置好,就會(huì)產(chǎn)生震蕩,結(jié)果就是電壓上會(huì)被疊加一個(gè)固定頻率的波動(dòng)。導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。
開(kāi)關(guān)電源如下圖所示:
圖1 開(kāi)關(guān)電源調(diào)試
從開(kāi)關(guān)電源的框圖中可以看出,該系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)反饋電路,將最終輸出的變化反饋給比例電路,經(jīng)過(guò)比例電路的等比例衰減,輸入到誤差放大器中。而后誤差放大器通過(guò)比較該信號(hào)和內(nèi)部參考信號(hào)的差異,來(lái)驅(qū)動(dòng)后級(jí)脈寬調(diào)制器等一系列的輸出環(huán)節(jié),最終與干擾信號(hào)相互抵消,從而保證電源的穩(wěn)定。
那應(yīng)該如何測(cè)量出電源的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性呢,在早期的調(diào)試中,大家會(huì)使用一個(gè)可變的電子負(fù)載來(lái)進(jìn)行測(cè)試,但是由于現(xiàn)在的電子負(fù)載的變化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率,該方法逐漸的不被大家所使用。目前比較常見(jiàn)的測(cè)試方式就是環(huán)路測(cè)試法。環(huán)路測(cè)試法就是向反饋回路中注入一個(gè)個(gè)單一頻率的正弦波序列信號(hào),然后根據(jù)電源系統(tǒng)的輸出情況來(lái)判斷其對(duì)各個(gè)頻率干擾的調(diào)整能力。其環(huán)路響應(yīng)的Gain越高,就說(shuō)明電源對(duì)該頻段的抗干擾能力越強(qiáng)。
環(huán)路測(cè)試框圖如下所示:
圖2 環(huán)路測(cè)試框圖
從上圖可以看出,環(huán)路測(cè)試實(shí)際上是將干擾信號(hào)通過(guò)反饋電路注入到誤差放大器中,而后查看誤差放大器加后級(jí)輸出環(huán)節(jié)的級(jí)聯(lián)響應(yīng)。誤差放大器的響應(yīng)實(shí)際上就是該誤差放大器的開(kāi)環(huán)增益。所以環(huán)路的根本目的如下圖所示:
圖3 環(huán)路測(cè)試根本目的
隨著一個(gè)個(gè)頻率信號(hào)的掃描,最終將各個(gè)頻道的環(huán)路增益繪制在一張圖上,就會(huì)得到一幅很直觀的頻域特性圖。
最終環(huán)路特性曲線如下圖所示:
圖4 環(huán)路相應(yīng)曲線
根據(jù)這張圖,我們就可以判斷電源設(shè)計(jì)是否穩(wěn)定,是否有優(yōu)化的空間。曲線的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)如下:
● 穿越頻率:建議為開(kāi)關(guān)頻率的5%到20%,過(guò)高則不穩(wěn)定,過(guò)低則響應(yīng)速度過(guò)慢。
● 相位裕度:要求一定要大于45°,建議45°到80°。
● 穿越斜率(0dB附近):要求為單極點(diǎn)穿越,一般是要求穿越斜率在-1左右,即-20db/每十倍頻。
● 增益裕度:建議大于10dB。
干擾信號(hào)注入原理
干擾信號(hào)具體要如何注入到誤差放大器呢,誤差放大器的開(kāi)環(huán)增益都非常大,都有60db左右。那么為了不使誤差放大器輸出飽和,輸入信號(hào)必須在-50dbm左右,大概2mv左右,這個(gè)信號(hào)幅度太小,產(chǎn)生過(guò)于困難,一般的電磁噪聲信號(hào)都要高過(guò)這個(gè)信號(hào)的幅度。顯然這樣直接注入是不可行的。為了能夠成功注入干擾信號(hào),我們需要利用反饋來(lái)進(jìn)行。
想要闡述明白干擾信號(hào)的輸入方式,必須先對(duì)反饋?zhàn)鲆幌抡f(shuō)明。
什么是反饋?除了數(shù)學(xué)公式,這個(gè)概念比較難描述,大家可以思考一個(gè)小時(shí)候經(jīng)常玩的倒立擺,眼睛,大腦,手形成了一個(gè)反饋系統(tǒng)。眼睛會(huì)根據(jù)木棍的擺動(dòng)情況反饋給大腦,大腦再控制手來(lái)進(jìn)行移動(dòng),從而保持木棍的直立不倒。如下圖所示:
圖5 倒立擺示意圖
這個(gè)系統(tǒng)就是最簡(jiǎn)單的反饋系統(tǒng),眼睛對(duì)應(yīng)的就是反饋電路和比例電路,大腦對(duì)應(yīng)的就是放大器,神經(jīng)和手對(duì)應(yīng)的就是脈寬調(diào)制器等輸出后級(jí)。
試想我們給上面系統(tǒng)中的眼睛與木棒之間加入一個(gè)濾鏡,該濾鏡的唯一作用就是讓木棒的圖像按固定的頻率左右搖擺。眼睛接受到這個(gè)擺動(dòng)的景象后,發(fā)送信號(hào)給大腦,為了保持平衡,大腦開(kāi)始操作手也左右搖擺。最終在濾鏡后的景象中看上去木棒已經(jīng)是在一個(gè)很小的幅度內(nèi)擺動(dòng),而實(shí)際上的木棒卻是在左右擺動(dòng),其擺動(dòng)正好抵消濾鏡產(chǎn)生的作用。實(shí)際木棍的擺幅與景象中的小擺幅的比例,就是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力了。
圖6 加入濾鏡的倒立擺系統(tǒng)
如果理解了上面的假想實(shí)驗(yàn),就應(yīng)該明白,我們可以通過(guò)將反饋電路和比例電路斷開(kāi),將信號(hào)串入反饋電路和比例電路之間,就像那個(gè)濾鏡。注入源通過(guò)一個(gè)隔離變壓器,將干擾信號(hào)變成一個(gè)電流信號(hào),在注入電阻兩端產(chǎn)生一個(gè)額外的壓差Vfg,而由于運(yùn)放負(fù)反饋的虛短特性,此時(shí)誤差放大器會(huì)通過(guò)輸出來(lái)盡量調(diào)節(jié)使得運(yùn)放正負(fù)端的電壓相等。這樣就會(huì)最終在輸出級(jí)產(chǎn)生一個(gè)△Vout,用來(lái)抵消注入電阻兩端的格外壓差Vfg。如果誤差放大器開(kāi)環(huán)增益無(wú)限大的話,Vfg則會(huì)與△Vout完全相等。但是由于誤差放大器開(kāi)環(huán)增益是有限的,就會(huì)最終導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)△Vin,△Vin = Vfg - △Vout。而△Vin和△Vout的比例,就是整個(gè)環(huán)路的增益了。具體電路如下圖所示:
圖7 環(huán)路測(cè)試注入方式
注入點(diǎn)如何選擇
選擇注入點(diǎn),有一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方法,對(duì)于電壓源就是找設(shè)計(jì)電路時(shí),用來(lái)計(jì)算電壓的那兩個(gè)電阻。設(shè)計(jì)電路時(shí)是按哪個(gè)電阻來(lái)調(diào)整輸出的,就加到哪個(gè)電阻上。對(duì)于電流源,也與電壓源大致相同,不過(guò)電流源中一般是沒(méi)有R1或者R2,只要將注入電阻放在反饋電電路之后就可以了。
以下是幾種典型電路的注入點(diǎn)實(shí)例。
1、非隔離電壓環(huán)路:
圖8 非隔離電壓環(huán)路注入方式示意圖
2、隔離電壓環(huán)路:
圖9 隔離電壓環(huán)路注入方式示意圖
3、隔離電流環(huán)路:
圖10 隔離電流環(huán)路注入方式示意圖
總結(jié)
電源環(huán)路測(cè)試可以清晰準(zhǔn)確的測(cè)試出開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,對(duì)電源設(shè)計(jì)有很重要的意義。測(cè)試方法也相對(duì)簡(jiǎn)單。但是實(shí)際測(cè)試中,由于開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波,這些諧波會(huì)嚴(yán)重影響最終測(cè)試結(jié)果,所以一般的示波器是無(wú)法得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。而ZDS4000示波器采用先進(jìn)的FFT和FIR功能,將諧波的干擾降低到最小,同時(shí)大大提高了環(huán)路曲線的分辨率和準(zhǔn)確性。其效果不遜色與專業(yè)的電源環(huán)路測(cè)試儀。
文章來(lái)源于 ZLG立功科技一致遠(yuǎn)電子
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