四北電子解析開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定的試驗(yàn)方法
前面頻率特性分析方法是以元器件小信號(hào)參數(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)在線性范圍內(nèi)，似乎很準(zhǔn)確。但有時(shí)很難做到，例如電解電容ESR不準(zhǔn)確且隨溫度和頻率變化；電感磁芯磁導(dǎo)率不是常數(shù)，還有由于分布參數(shù)或工藝限制，電路存在分布參數(shù)等等，使得分析結(jié)果不可能完全吻合，有時(shí)甚至相差甚遠(yuǎn)。分析方法只是作為實(shí)際調(diào)試的參考和指導(dǎo)。因此，在有條件的情況下，直接通過測(cè)量運(yùn)算放大器以外的環(huán)路的頻率響應(yīng)，根據(jù)6.4節(jié)的理論分析，利用測(cè)得的頻率特性選擇Venable誤差放大器類型，對(duì)環(huán)路補(bǔ)償，并通過試驗(yàn)檢查補(bǔ)償結(jié)果，應(yīng)當(dāng)說這是最直接和最可靠設(shè)計(jì)方法。采用這個(gè)方法，你可以在一個(gè)星期之內(nèi)將你的電源閉環(huán)調(diào)好。前提條件是你應(yīng)當(dāng)有一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀。
1、如何開環(huán)測(cè)試響應(yīng)
橋式、半橋、推挽、正激以及Buck變換器都有一個(gè)LC濾波電路，輸出功率電路對(duì)系統(tǒng)性能影響最大。為了討論方便，以圖6.31為例來說明測(cè)試方法，重畫為圖1(a)。電路參數(shù)為：輸入電壓115V，輸出電壓為5V，如前所述，濾波電感和電容分別為L(zhǎng)=15μH，C=2600μF，PWM控制器采用UC1524,它的鋸齒波幅值為3V，只用兩路脈沖中的一路，最大占空比為0.5。為了測(cè)量小信號(hào)頻率特性，變換器必須工作在實(shí)際工作點(diǎn)：額定輸出電壓、占空比和給定的負(fù)載電流。
從前面分析知道，如果把開關(guān)電源看著放大器，放大器的輸入就是參考電壓。從反饋放大器電路拓?fù)鋪碚f，開關(guān)電源的閉環(huán)是一個(gè)以參考電壓為輸入的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。輸入電源的變化和/或負(fù)載變化是外界對(duì)反饋控制環(huán)路的擾動(dòng)信號(hào)。取樣電路是一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)的分壓器，分壓比就是反饋系數(shù)，一般是固定的（R2/(R1+R2)）。參考電壓（相應(yīng)于放大器的輸入電壓）穩(wěn)定不變，即變化量為零，輸出電壓也不變(5V)。
如上所述，所有三種誤差放大器都有一個(gè)原點(diǎn)極點(diǎn)。在低頻閉環(huán)時(shí)，由于原點(diǎn)極點(diǎn)增益隨頻率減少而增高（即在反饋回路電容）在很低頻率，有一個(gè)最大增益，由誤差放大器開環(huán)增益決定。直流增益很高，這意味著直流電壓僅有極小誤差（相對(duì)于參考電壓）。例如，誤差放大器在很低頻率增益可能達(dá)到80dB或更高，因?yàn)?0dB即10000倍，迫使輸出檢測(cè)電壓接近參考電壓，誤差僅萬分之一，即0.01%。這當(dāng)然遠(yuǎn)優(yōu)于一般參考電壓的精度，因而通常輸出電壓的誤差由參考電壓的誤差決定。
為保證電源在任何干擾下輸出穩(wěn)定，我們將測(cè)試除誤差放大器以外的開關(guān)電源的環(huán)路頻率特性，來判斷閉環(huán)穿越頻率、放大器需要的增益以及需要補(bǔ)償?shù)南辔唬源诉x擇誤差放大器類型。
為了開環(huán)測(cè)量誤差放大器以外的環(huán)路增益，你可以利用控制芯片中的誤差放大器。將誤差放大器接成跟隨器，利用跟隨器輸入阻抗高的特點(diǎn)，在輸入端將測(cè)試的掃頻信號(hào)和決定直流工作點(diǎn)的偏置電壓求和Σ。直流工作點(diǎn)的偏置電壓是一個(gè)可調(diào)直流電源（調(diào)節(jié)工作點(diǎn)）和一個(gè)交流掃頻交流信號(hào)疊加一起送入跟隨器。調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓，輸出電壓隨之變化�？烧{(diào)電壓增大輸出電壓也增大。調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓，使輸出電壓和負(fù)載達(dá)到規(guī)定的測(cè)試條件（輸入電壓最大和最小，負(fù)載滿載和輕載），然后測(cè)試分壓器輸出ACout和掃頻信號(hào)輸出ACin的交流信號(hào)的幅值和相位，就得到除放大器以外的增益特性Gt（ACout/ACin）。應(yīng)當(dāng)注意，我們正在研究的是電源的小信號(hào)響應(yīng)，是在一定工作點(diǎn)附近的線性特性，所以測(cè)試應(yīng)當(dāng)在實(shí)際工作點(diǎn)（在規(guī)定的輸出電壓和負(fù)載以及規(guī)定的輸入電源電壓）進(jìn)行。即輸出如果是5V，就應(yīng)當(dāng)將輸出精確調(diào)節(jié)到5V，而不是3V或10V。一定要調(diào)節(jié)可調(diào)電源精密調(diào)整到額定輸出相差mV級(jí)以內(nèi)，再進(jìn)行開環(huán)測(cè)試。
測(cè)量開始前，應(yīng)當(dāng)確定變換器輸出端確實(shí)接有規(guī)定負(fù)載(最大或最小負(fù)載)。開始測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)從零緩慢增加直流電壓，直到輸出達(dá)到額定輸出電壓。因?yàn)槭情_環(huán)，如果先調(diào)節(jié)輸出電壓到額定值，再調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，要是你忘記了接負(fù)載電阻，變換器空載或負(fù)載電阻很大，輸出電壓有可能過高而造成輸出電容擊穿。
請(qǐng)注意，高增益功率級(jí)對(duì)可調(diào)直流電壓十分敏感，用普通的實(shí)驗(yàn)室直流電源可能很難精確調(diào)節(jié)到你所需要的電壓。在這種情況下，你應(yīng)盡量調(diào)節(jié)到實(shí)際輸出電壓5%以內(nèi)。實(shí)在不行，你得買或做一臺(tái)可調(diào)節(jié)到mV以內(nèi)的精密電壓源。還應(yīng)當(dāng)注意有些PWM芯片有失調(diào)電壓，電壓達(dá)到大約1V占空度仍然為零。
1、如何開環(huán)測(cè)試響應(yīng)
橋式、半橋、推挽、正激以及Buck變換器都有一個(gè)LC濾波電路，輸出功率電路對(duì)系統(tǒng)性能影響最大。為了討論方便，以圖6.31為例來說明測(cè)試方法，重畫為圖1(a)。電路參數(shù)為：輸入電壓115V，輸出電壓為5V，如前所述，濾波電感和電容分別為L(zhǎng)=15μH，C=2600μF，PWM控制器采用UC1524,它的鋸齒波幅值為3V，只用兩路脈沖中的一路，最大占空比為0.5。為了測(cè)量小信號(hào)頻率特性，變換器必須工作在實(shí)際工作點(diǎn)：額定輸出電壓、占空比和給定的負(fù)載電流。
從前面分析知道，如果把開關(guān)電源看著放大器，放大器的輸入就是參考電壓。從反饋放大器電路拓?fù)鋪碚f，開關(guān)電源的閉環(huán)是一個(gè)以參考電壓為輸入的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。輸入電源的變化和/或負(fù)載變化是外界對(duì)反饋控制環(huán)路的擾動(dòng)信號(hào)。取樣電路是一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)的分壓器，分壓比就是反饋系數(shù)，一般是固定的（R2/(R1+R2)）。參考電壓（相應(yīng)于放大器的輸入電壓）穩(wěn)定不變，即變化量為零，輸出電壓也不變(5V)。
如上所述，所有三種誤差放大器都有一個(gè)原點(diǎn)極點(diǎn)。在低頻閉環(huán)時(shí)，由于原點(diǎn)極點(diǎn)增益隨頻率減少而增高（即在反饋回路電容）在很低頻率，有一個(gè)最大增益，由誤差放大器開環(huán)增益決定。直流增益很高，這意味著直流電壓僅有極小誤差（相對(duì)于參考電壓）。例如，誤差放大器在很低頻率增益可能達(dá)到80dB或更高，因?yàn)?0dB即10000倍，迫使輸出檢測(cè)電壓接近參考電壓，誤差僅萬分之一，即0.01%。這當(dāng)然遠(yuǎn)優(yōu)于一般參考電壓的精度，因而通常輸出電壓的誤差由參考電壓的誤差決定。
為保證電源在任何干擾下輸出穩(wěn)定，我們將測(cè)試除誤差放大器以外的開關(guān)電源的環(huán)路頻率特性，來判斷閉環(huán)穿越頻率、放大器需要的增益以及需要補(bǔ)償?shù)南辔唬源诉x擇誤差放大器類型。
為了開環(huán)測(cè)量誤差放大器以外的環(huán)路增益，你可以利用控制芯片中的誤差放大器。將誤差放大器接成跟隨器，利用跟隨器輸入阻抗高的特點(diǎn)，在輸入端將測(cè)試的掃頻信號(hào)和決定直流工作點(diǎn)的偏置電壓求和Σ。直流工作點(diǎn)的偏置電壓是一個(gè)可調(diào)直流電源（調(diào)節(jié)工作點(diǎn)）和一個(gè)交流掃頻交流信號(hào)疊加一起送入跟隨器。調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓，輸出電壓隨之變化�？烧{(diào)電壓增大輸出電壓也增大。調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓，使輸出電壓和負(fù)載達(dá)到規(guī)定的測(cè)試條件（輸入電壓最大和最小，負(fù)載滿載和輕載），然后測(cè)試分壓器輸出ACout和掃頻信號(hào)輸出ACin的交流信號(hào)的幅值和相位，就得到除放大器以外的增益特性Gt（ACout/ACin）。應(yīng)當(dāng)注意，我們正在研究的是電源的小信號(hào)響應(yīng)，是在一定工作點(diǎn)附近的線性特性，所以測(cè)試應(yīng)當(dāng)在實(shí)際工作點(diǎn)（在規(guī)定的輸出電壓和負(fù)載以及規(guī)定的輸入電源電壓）進(jìn)行。即輸出如果是5V，就應(yīng)當(dāng)將輸出精確調(diào)節(jié)到5V，而不是3V或10V。一定要調(diào)節(jié)可調(diào)電源精密調(diào)整到額定輸出相差mV級(jí)以內(nèi)，再進(jìn)行開環(huán)測(cè)試。
測(cè)量開始前，應(yīng)當(dāng)確定變換器輸出端確實(shí)接有規(guī)定負(fù)載(最大或最小負(fù)載)。開始測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)從零緩慢增加直流電壓，直到輸出達(dá)到額定輸出電壓。因?yàn)槭情_環(huán)，如果先調(diào)節(jié)輸出電壓到額定值，再調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，要是你忘記了接負(fù)載電阻，變換器空載或負(fù)載電阻很大，輸出電壓有可能過高而造成輸出電容擊穿。
請(qǐng)注意，高增益功率級(jí)對(duì)可調(diào)直流電壓十分敏感，用普通的實(shí)驗(yàn)室直流電源可能很難精確調(diào)節(jié)到你所需要的電壓。在這種情況下，你應(yīng)盡量調(diào)節(jié)到實(shí)際輸出電壓5%以內(nèi)。實(shí)在不行，你得買或做一臺(tái)可調(diào)節(jié)到mV以內(nèi)的精密電壓源。還應(yīng)當(dāng)注意有些PWM芯片有失調(diào)電壓，電壓達(dá)到大約1V占空度仍然為零。
| 【上一個(gè)】 四北電子公司介紹如何設(shè)計(jì)高效小型化開關(guān)電源 | 【下一個(gè)】 解析開關(guān)電源電壓輸出低的原因 |
| ^ 四北電子解析開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定的試驗(yàn)方法 |