模塊電源可靠性之環(huán)路穩(wěn)定性分析及測(cè)試案例

*模塊電源具有高效率、高功率密度，安全，可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用模塊組建電源系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短、可靠性高、系統(tǒng)升級(jí)容易等特點(diǎn)。**模塊電源越來(lái)越廣泛應(yīng)用在軌道交通、汽車電子、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、半導(dǎo)體設(shè)備、醫(yī)療電子等行業(yè)。考慮到各個(gè)行業(yè)的特殊應(yīng)用環(huán)境，如何保證模塊電源在不同的環(huán)境溫度、**輸入電壓、負(fù)載及容性負(fù)載條件下穩(wěn)定性，關(guān)系到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。*本文深入的介紹模塊電源環(huán)路測(cè)試原理、測(cè)試方法、及應(yīng)用，從而更加深入地了解模塊電源系統(tǒng)穩(wěn)定性。

一、什么是電源控制環(huán)路？

模塊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)。模塊電源的響應(yīng)速度是當(dāng)負(fù)載變化或者輸入電壓變化時(shí)，模塊電源能快速地做出調(diào)整的速度。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，模塊電源的負(fù)載和輸入電壓都會(huì)有一定的波動(dòng)和變化，為了保證電源穩(wěn)定輸出，不產(chǎn)生跌落、過(guò)沖或關(guān)機(jī)，要求電源必須迅速做出調(diào)節(jié)，保證輸出的電壓的進(jìn)度和穩(wěn)定性。模塊電源的控制環(huán)路響應(yīng)速度就決定了模塊電源的調(diào)整速度。

模塊電源的輸出穩(wěn)定性由電源的環(huán)路反饋系統(tǒng)決定，環(huán)路控制電路的元器件性能和參數(shù)在不同環(huán)境溫度下的參數(shù)會(huì)有變化，如果模塊電源的控制環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，電源的輸出就有可能產(chǎn)生震蕩，其表現(xiàn)的結(jié)果是輸出電壓上疊加一個(gè)固定頻率的波動(dòng)，從而導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。

圖1. 模塊電源反饋環(huán)路示意圖

從模塊電源的反饋環(huán)路框圖可以看出，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電壓采樣電路（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)PWM調(diào)制器等一系列的輸出環(huán)節(jié)，最終與輸出變化信號(hào)相互抵消，從而保證電源工作的穩(wěn)定性。

那應(yīng)該如何測(cè)量出模塊電源的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性？根據(jù)筆者多年的電源行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，很多工程師在調(diào)試中用電子負(fù)載的動(dòng)態(tài)跳變的測(cè)試，并根據(jù)模塊電源動(dòng)態(tài)跳變的輸出響應(yīng)波形判斷環(huán)路的穩(wěn)定性。這有一定的道理，但是由于電子負(fù)載的變化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)電源的開關(guān)頻率，輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形不能全面的反應(yīng)控制環(huán)路的穩(wěn)定性。正確完整的測(cè)試方式就是環(huán)路分析測(cè)試法。環(huán)路分析測(cè)試法是在反饋回路中注入一定頻率范圍的擾動(dòng)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)節(jié)能力。其環(huán)路響應(yīng)的增益裕量（GM）越高，表面該電源的控制環(huán)路對(duì)該頻段的抗干擾能力越強(qiáng)。

圖2. 模塊電源控制環(huán)路測(cè)試示意圖

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環(huán)增益。所以環(huán)路的根本目的如下圖所示：

圖3. 模塊電源控制環(huán)路測(cè)試目的

隨著頻率信號(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。

模塊電源的穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，利用波特圖可以看出在不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位，因此通過(guò)波特圖分析環(huán)路特性是評(píng)估模塊電源是否可靠和穩(wěn)定的重要手段。

二、電源控制環(huán)路模型及關(guān)鍵指標(biāo)

穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)通常是閉環(huán)系統(tǒng)，環(huán)路控制根據(jù)電源的實(shí)際輸出與理想輸出的偏差來(lái)設(shè)計(jì)控制算法，力求輸出值逼近設(shè)定值。圖4所示為反饋環(huán)路控制部分中的運(yùn)放閉環(huán)增益模型，其傳遞函數(shù)為：

圖4. 閉環(huán)增益模型

模型分析

如果模塊電源中沒(méi)有加入反饋控制環(huán)路（即圖1中H(s)部分），此時(shí)輸出隨輸入的變化而線性變化（通常稱為輸出非調(diào)整或固定占空比Un-Regulatedor Fixed Ratio），電源輸出沒(méi)有穩(wěn)壓作用。同理，如果電源的反饋環(huán)路設(shè)計(jì)的不合理，控制環(huán)路對(duì)負(fù)載或輸入電壓的瞬態(tài)變化做出及時(shí)調(diào)整和響應(yīng)，那么電源輸出的瞬間變化就可能會(huì)造成電源系統(tǒng)振蕩和不穩(wěn)定，從而對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)和負(fù)載造成不可預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)和損壞。

模型中的開環(huán)增益G(s)會(huì)隨著頻率的增加而減小，同時(shí)也與相位有關(guān)，因此可以通過(guò)分析G(s)H(s)的增益和相位來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比如：當(dāng)G(s)H(s)=-1，此時(shí)分母為0，即增益是無(wú)窮大的。那么任意小的輸入擾動(dòng)都會(huì)引起輸出的無(wú)窮大變化，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致輸出振蕩。

因此，我們可以通過(guò)環(huán)增益GH的頻率特性來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，波特圖就是表示回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的工具。波特圖及相關(guān)參數(shù)如圖5所示：

圖5. 波特圖及相關(guān)參數(shù)

波特圖的三個(gè)核心指標(biāo)：

• 穿越頻點(diǎn)：增益為0dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率；
• 相位裕量：增益為0dB時(shí)對(duì)應(yīng)的相位差；
• 增益裕量：相位為0°時(shí)對(duì)應(yīng)的增益差。
  綜上所知，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過(guò)波特圖中的相位裕量，增益裕量，穿越頻點(diǎn)來(lái)衡量。在模塊電源開發(fā)前期，工程師可以使用仿真軟件進(jìn)行環(huán)路設(shè)計(jì)仿真和模擬，在開發(fā)中后期則可以使用環(huán)路分析儀進(jìn)行實(shí)際環(huán)路特性的驗(yàn)證和優(yōu)化。

三、電源控制環(huán)路的波特圖

通過(guò)掃頻曲線波特圖，可以直觀地看到整個(gè)頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢(shì)，從而非常方便地觀察和分析。環(huán)路分析儀實(shí)測(cè)模塊電源的掃頻曲線如下圖3所示。增益裕量（GM-Gain Margin）和相位裕量（PM-Phase Margin）結(jié)果如圖右上側(cè)所示。

圖6. 實(shí)測(cè)模塊電源波特圖曲線

以圖6的DensityPower的DNC60W24S13DP DC/DC模塊電源環(huán)路實(shí)際測(cè)試波特圖為例，可以看出增益和相位曲線比較平滑，穿越頻點(diǎn)（787.83Hz）在該DC/DC模塊電源的合適范圍內(nèi)，同時(shí)相位裕量（76.092°），增益裕量（-40.562dB）也滿足需求，并保證足夠的裕量。

四、電源控制環(huán)路穩(wěn)定性常見(jiàn)問(wèn)題

問(wèn)題1：如何通過(guò)波特圖來(lái)判斷模塊電源工作是否穩(wěn)定？

模塊電源環(huán)路穩(wěn)定性的判斷依據(jù)如下：

• 穿越頻點(diǎn)：建議為開關(guān)頻率的5%到20%；
• 相位裕量：要求一定要大于45°；
• 增益裕量： 建議大于6dB（注意，GM是正值，實(shí)際測(cè)量的增益值為負(fù)值）。

問(wèn)題2：如何正確理解相位裕量、增益裕量、穿越頻率？

相位裕量：

相位裕量是確保在各種復(fù)雜條件下（包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負(fù)載變化、容性負(fù)載變化、工作環(huán)境溫度溫升等）系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定，模塊電源在額定的輸入電壓范圍、負(fù)載范圍、容性負(fù)載范圍及工作環(huán)境溫度范圍下，要有45°的裕量；相位裕量應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，太小或太大都會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)能力，建議是45°到80°為合適范圍。

增益裕量：

增益裕量為了不接近不穩(wěn)定點(diǎn)，模塊電源在額定的輸入電壓范圍、負(fù)載范圍、容性負(fù)載范圍及工作環(huán)境溫度范圍下，要求增益裕量6dB以上。

穿越頻率：

穿越頻率點(diǎn)頻帶寬度的大小反映控制環(huán)路響應(yīng)的快慢。一般認(rèn)為帶寬越寬，其對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的抑制能力就越好，過(guò)沖、下跌越小，恢復(fù)時(shí)間也就越快，電源的環(huán)路控制更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點(diǎn)的影響，以及開關(guān)頻率等其他因素的限制，模塊電源的帶寬不能無(wú)限制提高，一般取開關(guān)頻率的1/20到1/5。

五、電源控制環(huán)路穩(wěn)定性的測(cè)試

1 **、**測(cè)試信號(hào)注入原理

測(cè)試信號(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(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。

我們可以通過(guò)將反饋電路和采樣電路斷開，將信號(hào)串入反饋電路和采樣電路之間。注入測(cè)試信號(hào)(擾動(dòng)信號(hào))通過(guò)一個(gè)隔離變壓器，將擾動(dòng)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. 控制環(huán)路測(cè)試信號(hào)注入示意圖

**2、**信號(hào)注入點(diǎn)

在電壓反饋型的模塊電源電路中，測(cè)試信號(hào)注入點(diǎn)為反饋回路的取樣點(diǎn)與輸出電壓點(diǎn)之間。要辨別采樣點(diǎn)比較簡(jiǎn)單，只需觀察反饋電壓由輸出電壓的哪條支路分壓得到即可。

**A) **非隔離型電壓反饋環(huán)路：

圖8. 非隔離型電壓反饋環(huán)路測(cè)試信號(hào)注入方式示意圖

B) 隔離型電壓反饋環(huán)路：

圖9. 隔離型電壓反饋環(huán)路測(cè)試信號(hào)注入方式示意圖

C) 隔離型電流反饋環(huán)路：

圖10. 隔離型電流反饋環(huán)路測(cè)試信號(hào)注入方式示意圖

注意：信號(hào)注入電阻建議選擇5到50歐的電阻，該范圍值的電阻在反饋電路中影響不大，推薦在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就提前預(yù)留此電阻，以便后續(xù)驗(yàn)證測(cè)試。

**3、**注入信號(hào)幅度調(diào)節(jié)

注入信號(hào)的幅度經(jīng)驗(yàn)值可設(shè)為輸出電壓的5%。如果幅度不能過(guò)小，環(huán)路分析儀可能無(wú)法識(shí)別；過(guò)大則可能使系統(tǒng)出現(xiàn)非線性導(dǎo)致測(cè)量失真。另外環(huán)路分析功能還具備分段幅值的設(shè)置功能。

**4、**掃描頻率范圍設(shè)定

如上所述，環(huán)路控制系統(tǒng)的穿越頻點(diǎn)大致為開關(guān)頻率的1/20到1/5左右，因此掃頻范圍應(yīng)設(shè)在穿越頻點(diǎn)附近的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，一般可以找到環(huán)路的穿越頻點(diǎn)。注意：環(huán)路系統(tǒng)穿越頻點(diǎn)不能過(guò)低，否則環(huán)路無(wú)法響應(yīng)高頻的負(fù)載波動(dòng)，從而引起輸出電壓的噪聲。

**5、**測(cè)試探頭的選用

由于注入信號(hào)幅度微弱，推薦選用1X衰減的探頭測(cè)試（50Ω阻抗BNC頭 屏蔽線）。若使用10X，則信號(hào)衰減后很容易被噪聲信號(hào)干擾導(dǎo)致測(cè)量的準(zhǔn)確性問(wèn)題。

**6、**PM/GM顯示值

環(huán)路掃頻結(jié)束后會(huì)計(jì)算PM和GM值，GM值是當(dāng)相位曲線第一次穿越0°時(shí)的頻率點(diǎn)，0db與該頻率點(diǎn)的增益測(cè)量值的差值，即GM=0db - 增益測(cè)量值@相位第一次穿越0°的頻點(diǎn)，因此正常情況下該頻點(diǎn)的增益測(cè)量值為負(fù)值，GM值為正值。而PM值為增益曲線第一次穿越0db的頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位測(cè)量值與0°的差值，如果該頻點(diǎn)之前相位曲線存在360°的翻轉(zhuǎn)，則PM值會(huì)在0db頻點(diǎn)的相位測(cè)量值的基礎(chǔ)上加上翻轉(zhuǎn)相位值。

總結(jié)：

模塊電源控制環(huán)路測(cè)試可以清晰準(zhǔn)確的測(cè)試出模塊電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，對(duì)模塊電源可靠性設(shè)計(jì)有很重要的意義。