在ZDS3024電源測試定制版示波器上,我們顛覆性地免費標配了環(huán)路分析功能。工程師可以通過示波器直接測試開關(guān)電源等閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖,從而更加深入地了解系統(tǒng)穩(wěn)定性。那么我們該如何解讀環(huán)路分析的測試結(jié)果呢?
開關(guān)電源的穩(wěn)定性關(guān)系到整個應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性,利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位,因此通過伯德圖分析環(huán)路特性已經(jīng)成為評估開關(guān)電源是否可靠的重要手段。在研發(fā)期間,環(huán)路分析可以提供直觀的數(shù)據(jù)對比,從而幫助工程師快速判斷系統(tǒng)優(yōu)化方向,驗證設(shè)計思路。
下面我們從幾個方面來簡述環(huán)路測試結(jié)果的分析及其注意事項。
一、環(huán)路模型分析及核心指標解讀
穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)通常是閉環(huán)系統(tǒng)(帶反饋),控制器根據(jù)系統(tǒng)的實際輸出與理想輸出的偏差來設(shè)計控制算法,力求輸出值逼近設(shè)定值。圖1所示為反饋環(huán)路控制部分中的運放閉環(huán)增益模型,其傳遞函數(shù)為:
圖1 閉環(huán)增益模型
模型分析1
如果變換器中沒有引入反饋控制環(huán)路(即圖1中H(s)部分),此時輸出隨輸入的變化而線性變化,沒有穩(wěn)壓作用。如果反饋環(huán)路設(shè)計的不好,環(huán)路就不能做出對負載的瞬態(tài)改變做出及時調(diào)整,那么輸出電源瞬間的變化就可能會造成電源系統(tǒng)振蕩,從而對下一級構(gòu)成損壞。
模型分析2
模型中放大器的開環(huán)增益G(s)會隨著頻率的增加而減小,同時也與放大器相位有關(guān),因此可以通過分析G(s)H(s)的增益和相位來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比如:當G(s)H(s)=-1,此時分母為0,即增益是無窮大的。那么任意小的輸入擾動都能引起輸出的無窮大,這樣勢必會導致輸出振蕩。
因此,我們可以通過環(huán)增益GH的頻率特性來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,伯德圖就是表示回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的工具。伯德圖及相關(guān)參數(shù)如圖2所示:
圖2 伯德圖及相關(guān)參數(shù)
伯德圖有以下3個核心指標:
穿越頻點:增益為0dB時對應(yīng)的頻率;
相位裕度:增益為0dB時對應(yīng)的相位差;
增益裕度:相位為0°時對應(yīng)的增益差。
由此可見,閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過伯德圖中的相位裕度,增益裕度,穿越頻點來衡量。系統(tǒng)開發(fā)前期,工程師可以使用Saber等仿真軟件進行環(huán)路設(shè)計模擬,在開發(fā)中后期則可以使用ZDS3024電源測試定制版示波器進行實際環(huán)路特性的驗證和優(yōu)化。
二、環(huán)路分析的伯德圖結(jié)果解讀
通過掃頻曲線伯德圖,可以直觀地看到整個頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢,從而非常方便地觀察和分析。ZDS3024電源測試定制版示波器的環(huán)路分析功能實測電源的掃頻曲線如下圖3所示。增益裕度(GM)和相位裕度(PM)信息顯示在掃頻界面的右上角。
圖3 實測掃頻曲線
以圖3的電源環(huán)路實際測試伯德圖為例,可以看出增益和相位曲線比較平滑,穿越斜率(近似-1)也很好,穿越頻點(621.4Hz)在該開關(guān)電源的合適范圍內(nèi),同時相位裕度(45.43°)滿足要求,增益裕度(9.655dB)也基本滿足需求。
三、環(huán)路分析常見問題解析
問題1:如何通過伯德圖來判斷開關(guān)電源是否穩(wěn)定?
開關(guān)電源穩(wěn)定的判斷依據(jù)大致如下:
穿越頻點:建議為開關(guān)頻率的5%到20%;
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(注意,GM是正值,實際測量的增益值為負值,增益裕度 = 0db - 測量值)。
問題2:如何理解穿越頻點、相位裕度、穿越斜率和增益裕度?
穿越頻點
穿越頻點的頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應(yīng)的快慢。一般認為帶寬越寬,其對負載動態(tài)響應(yīng)的抑制能力就越好,過沖、欠沖越小,恢復時間也就越快,系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點的影響,以及開關(guān)頻率等其他因素的限制,電源的帶寬也不能無限制提高,一般取開關(guān)頻率的1/20到1/5。
相位裕度
相位裕度是確保在各種復雜條件下(包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負載變化、溫升等)系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定,使用在標稱輸入額定負載室溫下,要有45°的裕度;如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度也不應(yīng)小于30°。相位裕度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi),太小或太大都會影響系統(tǒng)對擾動的調(diào)節(jié)能力,因此建議是45°到80°為合適范圍。如下圖4所示。
圖4 同一條件下,不同相位裕度的調(diào)節(jié)能力
穿越斜率
對于穿越斜率在-1左右的條件,應(yīng)當注意,并不是絕對要求開環(huán)增益曲線在穿越頻點附近的增益斜率為必須為-1,但是由于-1增益斜率對應(yīng)的相位曲線相位延遲較小,且變化相對緩慢,因此它能夠保證,當某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略時,相位曲線仍將具有足夠的相位裕度,使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。
增益裕度
增益裕度為了不接近不穩(wěn)定點,一般認為10dB以上是必要的。
問題3:掃頻曲線的低頻段增益和相位曲線抖動較大,是什么原因?
分析:這種情況很有可能是在對應(yīng)頻率下干擾較大,信噪比太低??梢試L試注入電壓幅值提高。但是也要注意:過高的注入電壓可能會造成信號失真或者0dB穿越時對應(yīng)的相位裕度結(jié)果不對。
最理想的改進方法是使用環(huán)路分析的分段幅值輸出功能,可以通過設(shè)置每10倍頻范圍的不同輸出幅值,來實現(xiàn)不同頻率范圍的不同注入電壓幅值。分段幅值的參數(shù)設(shè)置如下圖5所示。
圖5 分段幅值參數(shù)設(shè)置
四、環(huán)路分析的操作步驟
1、尋找干擾信號注入點
在電壓反饋型的開關(guān)電源電路中,測試信號注入點為反饋回路的取樣點與輸出電壓點之間。要辨別采樣點比較簡單,只需觀察反饋電壓由輸出電壓的哪條支路分壓得到即可。
注入電阻可選擇5到100歐的電阻,這種電阻在反饋電路中影響不大,推薦在系統(tǒng)設(shè)計時就提前預留此電阻。
2、注入信號幅度調(diào)節(jié)
注入信號的幅度經(jīng)驗值可設(shè)為輸出電壓的5%。如果幅度不能過小,示波器可能無法識別;過大則可能使系統(tǒng)出現(xiàn)非線性導致測量失真。另外環(huán)路分析功能還具備分段幅值的設(shè)置功能。
3、掃描頻率范圍設(shè)定
由于系統(tǒng)的穿越頻點大致為開關(guān)頻率的1/20到1/5左右,因此掃頻范圍應(yīng)設(shè)在穿越頻點附近的范圍,在這個范圍內(nèi),一般可以找到環(huán)路的穿越頻點點。此處留意環(huán)路系統(tǒng)穿越頻點不能過低,否則環(huán)路無法響應(yīng)高頻的負載波動,從而引起輸出電壓的噪聲。
4、測試探頭的使用
由于注入信號幅度微弱,推薦選用1X衰減的探頭測試。若使用10X,則信號衰減后很容易被噪聲淹沒。在接地時也盡量使用接地彈簧,而不是接地夾子。
5、PM/GM顯示值
環(huán)路掃頻結(jié)束后會計算PM和GM值,GM值是當相位曲線第一次穿越0°時的頻率點,0db與該頻率點的增益測量值的差值,即GM=0db - 增益測量值@相位第一次穿越0°的頻點,因此正常情況下該頻點的增益測量值為負值,GM值為正值。而PM值為增益曲線第一次穿越0db的頻點對應(yīng)的相位測量值與0°的差值,如果該頻點之前相位曲線存在360°的翻轉(zhuǎn),則PM值會在0db頻點的相位測量值的基礎(chǔ)上加上翻轉(zhuǎn)相位值。
總結(jié):
ZDS3024電源測試定制版示波器標配的環(huán)路測試分析軟件不僅有完善的環(huán)路測試方法和精準的測量精度,并且對測試操作和用戶體驗進行了創(chuàng)新性地設(shè)計,其專業(yè)程度媲美專業(yè)頻率響應(yīng)分析儀。歡迎各位電源工程師前往官網(wǎng)進行固件升級體驗。
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原文標題:環(huán)路分析結(jié)果解讀-ZDS3024電源測試定制版示波器
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