環(huán)路測(cè)試

 

開關(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_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。

 

開關(guān)電源如下圖所示：

 

圖1 開關(guān)電源調(diào)試

 

從開關(guān)電源的框圖中可以看出，該系統(tǒng)是通過一個(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比較該信號(hào)和內(nèi)部參考信號(hào)的差異，來驅(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)低于開關(guān)電源的開關(guān)頻率，該方法逐漸的不被大家所使用。目前比較常見的測(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：建議為開關(guān)頻率的5%到20%，過高則不穩(wěn)定，過低則響應(yīng)速度過慢。

● 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)生過于困難，一般的電磁噪聲信號(hào)都要高過這個(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，我們可以通過將反饋電路和比例電路斷開，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)通過輸出來盡量調(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，用來抵消注入電阻兩端的格外壓差Vfg。如果誤差放大器開環(huán)增益無限大的話，Vfg則會(huì)與△Vout完全相等。但是由于誤差放大器開環(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，不過電流源中一般是沒有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。

 

文章來源于 ZLG立功科技一致遠(yuǎn)電子

 

 

推薦閱讀：