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用示波器测试电源环路稳定性的方法
发布时间:2022-09-04 04:22:47   来源:im电竞平台 作者:im电竞首页    点击:5

  

  开关电源是一种典型的反馈控制系统,其有响应速度和稳定性两个重要的指标。响应速度就是当负载变化或者输入电压变化时,电源能迅速做出调整的速度。因为开关电源的负载多数情况下都是数字IC,其电流会随着逻辑功能的变化而变化,比如FPGA在进行配置时,电流会增大一倍以上。而开关电源的输入电压也会有一定程度的波动。为了保证电源稳定输出,不产生跌落或者过冲,就要求电源必须迅速做出调整,使得最终输出的电压没有变化。而电源的响应速度就决定了电源的调整速度。

  由于电源加入了反馈系统,就可能发生震荡。如果电源系统的参数没有设置好,就会产生震荡,结果就是电压上会被叠加一个固定频率的波动。导致电源不稳定。

  从开关电源的框图中可以看出,该系统是通过一个反馈电路,将最终输出的变化反馈给比例电路,经过比例电路的等比例衰减,输入到误差放大器中。而后误差放大器通过比较该信号和内部参考信号的差异,来驱动后级脉宽调制器等一系列的输出环节,最终与干扰信号相互抵消,从而保证电源的稳定。

  幅度曲线的频率响应是电压增益改变与频率改变的关系,这种关系可以用波特图上一条以分贝(dB)来表示的电压增益比频率(Hz)曲线来描述.波特幅度图被绘成一种半对数曲线:x轴为采用对数刻度的频率(Hz),y轴则为采用线性刻度的电压增益(dB),波特图的另一半则是相位曲线(相移比频率),并被描述成以”度”来表示的相移比频率关系.波特相位曲线亦被绘成一种半对数曲线:x轴为采用对数刻度的频率(Hz),y轴为采用线性刻度的相移(度)。

  很多同学容易把波特图看不明白,是因为用一个坐标系,把增益和相位画到一张图上,导致的认知错乱。如下图,注意左边纵坐标是增益,单位是dB;右边的纵坐标是相位,单位是°。横坐标是频率,是两个变量曲线共用的。

  开关电源环路的频响特性,如果电源的负载特性在某一频率下增益等于1(0dB)且相移量为180°时,那么电源控制环路将因出现同相正反馈(此相移量加原设定180°相移,总相移量为360°),因而有足够能量返回系统,并在此频率下维持振荡。为避免电源系统出现类似破坏性的不稳定现象,通常情况下,环路控制电路都会采用反馈补偿组件来降低高频端的增益,使得开关电源在预设频率范围内都保持稳定。

  传递函数transfer function 零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换(或z变换)与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。记作G(s)=Y(s)/U(s),其中Y(s)、U(s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一,经典控制理论的主要研究方法——频率响应法和根轨迹法——都是建立在传递函数的基础之上。

  稳压电源本质上是一个能输出非常大电流的反馈放大器,所以适用于反馈放大器的理论同样适用于稳压电源(以下简称电源)。根据反馈理论,一个反馈系统的稳定性可以通过其系统传递函数得出。工程实践上通常会使用环路增益的波特图来判断系统的稳定性。下图是一个典型的反馈系统。系统的闭环传递函数 A 是输入 x 和输出 y 的数学关系表达式。环路增益T 则是信号经过环路一周所得到的增益。

  在实际的系统中,因为前向增益 α 和反馈系数 β 都是复数,所以闭环传递函数 A 和环路增益T 也是复数,也就是既有模值也有相角。当环路增益 T 的模值为 1 相角为-180°的时候,闭环传递函数的分母为 0,其结果变为无穷大。这意味着一个系统在没有输入的情况下会维持一个输出,系统是一个振荡器,这与稳定系统有界的输入产生有界的响应相矛盾,也就是说此时系统是不稳定的。

  我们可以画出系统环路增益的波特图来评估系统的稳定性,表达系统稳定性常用的增益裕度和相位裕度指标一般就是从这里得出的。相位裕度指的是在增益降为 1(或者 0 dB)的时候,相位距离-180°还有多少;增益裕度则是相位到达-180°的时候,增益比 1(或者 0 dB)少了多少。

  那应该如何测量出电源的响应速度和稳定性呢,在早期的调试中,大家会使用一个可变的电子负载来进行测试,但是由于现在的电子负载的变化频率远远低于开关电源的开关频率,该方法逐渐的不被大家所使用。目前比较常见的测试方式就是环路测试法。环路测试法就是向反馈回路中注入一个个单一频率的正弦波序列信号,然后根据电源系统的输出情况来判断其对各个频率干扰的调整能力。其环路响应的Gain越高,就说明电源对该频段的抗干扰能力越强。

  (1)、在室温和标准输入、正常负载条件下,闭环回路增益为0dB(无增益)的情况下,相位裕度应大于45 度;如果输入电压、负载、温度变化范围非常大, 相位裕度不应小于30度。

  (2)、同步检查在相位接近于0deg时,闭环回路增益裕度应大于7dB,为了不接近不稳定点,一般认为增益裕度12dB以上是必要的。

  (3)、同时依据测试的波特图对电源特性进行分析,穿越频率按20dB/Dec闭合,频带宽度一般为开关频率的1/20~1/6。

  图中展示了如何在反馈系统中把环路3 / 8断开,理论计算时你可以从任何地方把环路断开,不过我们通常选择在输出和反馈之间把环路断开。断开环路后,我们在断点处注入一个测试信号 i,i 经过环路一周后到达输出得到信号 y,y 和 i 的数学关系式就是我们要求的环路增益。

  e、将整个环路的极点设置到开关频率的谐波频率(1/2fsw, 1/3fsw, 1/5fsw, 等),或者输出电容的ESR引起的转折频率点。

  还可以根据厂家推荐电路完成电路设计之后,根据测试情况进行调整,是比较偷懒省事的做法。

  从上图可以看出,环路测试实际上是将干扰信号通过反馈电路注入到误差放大器中,而后查看误差放大器加后级输出环节的级联响应。误差放大器的响应实际上就是该误差放大器的开环增益。所以环路的根本目的如下图所示:

  随着一个个频率信号的扫描,最终将各个频道的环路增益绘制在一张图上,就会得到一幅很直观的频域特性图。

  根据这张图,我们就可以判断电源设计是否稳定,是否有优化的空间。曲线的稳定性判定标准如下:

  穿越频率:建议为开关频率的5%到20%,过高则不稳定,过低则响应速度过慢。

  穿越斜率(0dB附近):要求为单极点穿越,一般是要求穿越斜率在-1左右,即-20db/每十倍频。

  如果有环路分析仪,就直接按照说明书进行链接测试就可以了,只不过价格比较昂贵,国产仪器最低配置4W+。

  低温条件下,典型输入典型输出,测开环Bode图,按照上述评判标准进行判断就可以了。

  干扰信号具体要如何注入到误差放大器呢,误差放大器的开环增益都非常大,都有60db左右。那么为了不使误差放大器输出饱和,输入信号必须在-50dbm左右,大概2mv左右,这个信号幅度太小,产生过于困难,一般的电磁噪声信号都要高过这个信号的幅度。显然这样直接注入是不可行的。为了能够成功注入干扰信号,我们需要利用反馈来进行。

  选择注入点,有一个比较简单的方法,对于电压源就是找设计电路时,用来计算电压的那两个电阻。设计电路时是按哪个电阻来调整输出的,就加到哪个电阻上。对于电流源,也与电压源大致相同,不过电流源中一般是没有R1或者R2,只要将注入电阻放在反馈电电路之后就可以了。

  问题是:我们中小企业往往没有足够的测试条件。在没有测试波特图的条件情况下,我们如何分析和判断环路稳定性呢?

  若没有环路分析仪,就通过输出动态负载响应进行判断,测试条件:规格书标定的最低温度运行(如-25℃),额定输入电压,输出不要额外挂电容,负载进行半载---满载---半载切换(一般电流变化率可按照工业电源的标准0.1A/us的变化率设定),若此时输出动态响应能做到这个样子,基本就能判定环路很稳了:

  对于典型的PWM开关电源,如果phase点jitter太大,通常系统会不稳定(就是之前提到的相位裕量不足,在动态负载情况下,时域的表现),对于200~500K的PWM开关电源,典型的jitter值应该在1ns以下。

  测试 VRTS v1.51 上的电源环路响应时,我们在电路中加入注入点。接线的方法如图所示。

  信号源 SAG1021I 通过 USB 接到示波器上,输出端夹子与注入电阻并联,这样信号注入到环路的同时,环路的直流工作点也不会被信号源和被测件的接地问题所影响。注入电阻两端分别接两个通道的探头,接到示波器上。

  这一小节主要介绍了完成本次测量所需的关键设置,关于 Bode Plot 完整的使用说明,请参考相关的用户指南和快速指南。

  在进入 Bode Plot 软件之前,建议先把要用到的通道设置为 20 MHz 带宽限制。本次测量的频率范围是 10 Hz 到 100 kHz,这于一个预期的穿越频率在 10 kHz 左右的电路来说足够了。

  在 Bode Plot 的主菜单按配置信息进入配置菜单,编辑配置信息。进行通道设置,将 DUT 输入和 DUT 输出设置到相应的通道上,设置好 DUT 输入为 C1,DUT 输出为 C2。测试与 SAG1021I的连接是否成功。将扫描类型设置为可变幅度,设置扫描参数。将频率模式设置为对数,在配置文件编辑里面建立 5 个结点,分别是 10Hz,100Hz,1KHz,10KHz,100KHz,对应的幅

  度分别为 1.9V,1.9V,80mV,80mV,1V,如下图所示,将点数/十倍频设置为 40。

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