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深度解析:環(huán)路分析測試原理

發(fā)布時間:2019-05-16 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】開關(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,環(huán)路分析測試作為其重要的測試方法也越來越被大家所使用。本文將深入介紹該測試方法的原理和應(yīng)用。
 
環(huán)路測試
 
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)定性兩個重要的指標。響應(yīng)速度就是當(dāng)負載變化或者輸入電壓變化時,電源能迅速做出調(diào)整的速度。因為開關(guān)電源的負載多數(shù)情況下都是數(shù)字IC,其電流會隨著邏輯功能的變化而變化,比如FPGA在進行配置時,電流會增大一倍以上。而開關(guān)電源的輸入電壓也會有一定程度的波動。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,就會產(chǎn)生震蕩,結(jié)果就是電壓上會被疊加一個固定頻率的波動。導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。
 
開關(guān)電源如下圖所示:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
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和內(nèi)部參考信號的差異,來驅(qū)動后級脈寬調(diào)制器等一系列的輸出環(huán)節(jié),最終與干擾信號相互抵消,從而保證電源的穩(wěn)定。
 
那應(yīng)該如何測量出電源的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性呢,在早期的調(diào)試中,大家會使用一個可變的電子負載來進行測試,但是由于現(xiàn)在的電子負載的變化頻率遠遠低于開關(guān)電源的開關(guān)頻率,該方法逐漸的不被大家所使用。目前比較常見的測試方式就是環(huán)路測試法。環(huán)路測試法就是向反饋回路中注入一個個單一頻率的正弦波序列信號,然后根據(jù)電源系統(tǒng)的輸出情況來判斷其對各個頻率干擾的調(diào)整能力。其環(huán)路響應(yīng)的Gain越高,就說明電源對該頻段的抗干擾能力越強。
 
環(huán)路測試框圖如下所示:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
圖2 環(huán)路測試框圖
 
從上圖可以看出,環(huán)路測試實際上是將干擾信號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輸出環(huán)節(jié)的級聯(lián)響應(yīng)。誤差放大器的響應(yīng)實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:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
圖3 環(huán)路測試根本目的
 
隨著一個個頻率信號的掃描,最終將各個頻道的環(huán)路增益繪制在一張圖上,就會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:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
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)計是否穩(wěn)定,是否有優(yōu)化的空間。曲線的穩(wěn)定性判定標準如下:
 
● 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。
 
干擾信號注入原理
 
干擾信號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,輸入信號必須在-50dbm左右,大概2mv左右,這個信號幅度太小,產(chǎn)生過于困難,一般的電磁噪聲信號都要高過這個信號的幅度。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,我們需要利用反饋來進行。
 
想要闡述明白干擾信號的輸入方式,必須先對反饋做一下說明。
 
什么是反饋?除了數(shù)學(xué)公式,這個概念比較難描述,大家可以思考一個小時候經(jīng)常玩的倒立擺,眼睛,大腦,手形成了一個反饋系統(tǒng)。眼睛會根據(jù)木棍的擺動情況反饋給大腦,大腦再控制手來進行移動,從而保持木棍的直立不倒。如下圖所示:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
圖5 倒立擺示意圖
 
這個系統(tǒng)就是最簡單的反饋系統(tǒng),眼睛對應(yīng)的就是反饋電路和比例電路,大腦對應(yīng)的就是放大器,神經(jīng)和手對應(yīng)的就是脈寬調(diào)制器等輸出后級。
 
試想我們給上面系統(tǒng)中的眼睛與木棒之間加入一個濾鏡,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。眼睛接受到這個擺動的景象后,發(fā)送信號給大腦,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)是在一個很小的幅度內(nèi)擺動,而實際上的木棒卻是在左右擺動,其擺動正好抵消濾鏡產(chǎn)生的作用。實際木棍的擺幅與景象中的小擺幅的比例,就是整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力了。
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
圖6 加入濾鏡的倒立擺系統(tǒng)
 
如果理解了上面的假想實驗,就應(yīng)該明白,我們可以通過將反饋電路和比例電路斷開,將信號串入反饋電路和比例電路之間,就像那個濾鏡。注入源通過一個隔離變壓器,將干擾信號變成一個電流信號,在注入電阻兩端產(chǎn)生一個額外的壓差Vfg,而由于運放負反饋的虛短特性,此時誤差放大器會通過輸出來盡量調(diào)節(jié)使得運放正負端的電壓相等。這樣就會最終在輸出級產(chǎn)生一個△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,就會最終導(dǎo)致產(chǎn)生一個△Vin,△Vin = Vfg - △Vout。而△Vin和△Vout的比例,就是整個環(huán)路的增益了。具體電路如下圖所示:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
圖7 環(huán)路測試注入方式
 
注入點如何選擇
 
選擇注入點,有一個比較簡單的方法,對于電壓源就是找設(shè)計電路時,用來計算電壓的那兩個電阻。設(shè)計電路時是按哪個電阻來調(diào)整輸出的,就加到哪個電阻上。對于電流源,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實例。
 
1、非隔離電壓環(huán)路:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
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:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
圖9 隔離電壓環(huán)路注入方式示意圖
 
3、隔離電流環(huán)路:
 
深度解析:環(huán)路分析測試原理
圖10 隔離電流環(huán)路注入方式示意圖
 
總結(jié)
 
電源環(huán)路測試可以清晰準確的測試出開關(guān)電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,對電源設(shè)計有很重要的意義。測試方法也相對簡單。但是實際測試中,由于開關(guān)電源系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的諧波,這些諧波會嚴重影響最終測試結(jié)果,所以一般的示波器是無法得到比較準確的結(jié)果。而ZDS4000示波器采用先進的FFT和FIR功能,將諧波的干擾降低到最小,同時大大提高了環(huán)路曲線的分辨率和準確性。其效果不遜色與專業(yè)的電源環(huán)路測試儀。
 
文章來源于 ZLG立功科技一致遠電子
 
 
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