测量开关电源闭环反馈响应
Testing Closed-Loop Feedback Response For Switching-Power Suppling
■Clarke-Hess通信研究公司 Ken Salz
开关电源依靠反馈控制环路来保证在不同的负载情况下得到所需的电压和电流.反馈控制环路的设计影响到许多因素,包括电压调整、稳定性和瞬态响应.
当某个反馈控制环路在某个频率的环路增益为单位增益或更高且总的相位延迟等于360 时,反馈控制环路将会产生振荡.稳定性通常用下面两个参数来衡量:
相位裕量:当环路增益为单位增益时实际相位延迟与360 间的差值,以度为单位表示.
增益裕量:当总相位延迟为360 时,增益低于单位增益的量,以分贝为单位表示.
对多数闭环反馈控制系统,当环路增益大于0dB时,相位裕量都大于45 (小于315 ).当环路相位延迟达到360 时,增益裕量为-20dB或更低.
如果这些条件得到满足,控制环将具有接近最优的响应;它将是无条件稳定的,即不会阻尼过小也不会阻尼过大.通过测量在远远超出控制环通常操作带宽的情况下控制环的频率响应,可以保证能够反映出所有可能的情况.
一个单输出开关电源的控制环增益和相位响应曲线.测量是利用一个GP102增益相位分析仪(一种独立的用来评价控制环增益和相位裕量的仪器)进行的,然后输入到电子表软件中.
在这一例子中,从0dB增益交点到360 测量得到的相位裕量为82 (360 到278 ).从0dB增益交点到相位达到360 的增益裕量为-35dB.把这些增益和相位裕量值与-20dB增益裕量和60 相位裕量的目标值相比较,可以肯定被测试电源的瞬态响应和调节是过阻尼的,也是不可接受的.
0dB交点对应的频率为160Hz,这导致控制环的响应太慢.理想情况下,在1或2KHz处保持正的环增益是比较合适的,考虑到非常保守的增益和相位裕量,不必接近不稳定区即可改善控制环的动态特性.当然需要对误差放大器补偿器件进行一些小的改动.进行修改后,可以对控制环重新进行测试以保证其无条件稳定性.
通常可利用频率响应分析仪(FRA)或增益-相位分析仪进行这种测量.这些仪器采用了离散傅里叶变换(DFT)技术,因为被测信号经常很小且被掩盖在噪声和电源开关台阶所产生的失真中.DFT用来从中提取出感兴趣的信号.
测试信号注入
为进行测量,FRA向控制环中注入一个已知频率的误差信号扰动.利用两个FRA通道来判断扰动要多长时间才能从误差放大器输入到达电源输出.
扰动信号应该在控制环反馈信号被限制在单条路径的地方注入,并且来自低阻抗的驱动源.连接到电源输出或误差放大器输出的反馈路径是注入扰动信号的好地方.
通过信号发生器通过一个隔离变压器连接到测试电路,以保证FRA信号发生器和被测试电路间的电气隔离.注入方法将扰动信号注入到误差放大器的输入.对于电源输出电压在FRA最大输入电压限制以内的情况,这一方法是合适的.
如果被测量电源的输出电压比FRA最大输入电压还要高,那么第一种注入方法就不适用了.扰动信号被注入到误差放大器的输出,此处的控制环对地电压比较低.如果电源电压超过FRA输入范围则应采用这种注入方法.
选定合适的注入点以后,还必须仔细地设定扰动信号的幅度.扰动的响应可通过连接到电源输出的示波器看到.
开始时,FRA信号发生器幅度应该设为零和低频率,通常在控制环带宽的低端.然后慢慢提高FRA信号发生器的幅度.FRA信号发生器幅度的一个比较好的起始点是能够在示波器上看到电源输出电压波动为额定输出电压的5%左右.
必须在控制环带宽的高端重复这一过程以确保是否可在整个控制环带宽上使用同样的驱动水平.FRA发生器不能欠驱动或过驱动控制环.在此种条件下进行的任何测量都是不准确的.
不大可能在整个控制环带宽范围内使用同一组FRA信号发生器设置.这种情况下,可以利用幅度补偿来保证频率切换和环增益变化时扰动信号稳定.这可以通过控制FRA信号发生器幅度,从而保证恒定的误差放大器输入来达到.
进行测量
FRA的两个输入分别连接到注入隔离变压器的次级的两端.CH2测量控制环输出,CH1测量控制环输入.测量是相对于地进行的.
从10Hz扫描到30KHz,观察增益和相位测量重复性,以保证注入控制环的扰动信号幅度是正确的.参考增益-相位图表核对控制环增益和相位裕量.
可在误差放大器一级加入适当的补偿器件.再次进行从低频到高频的扫描可以看到补偿值变化的效果.理想情况下,环增益每频程应该下降-20dB,特别是在控制环增益经过单位增益时.
功率因数校正电路
反馈控制环并不仅限于用于开关电源的输出调节.通常用在整流桥后的动态功率因数校正(PFC)电路中采用两个控制环来达到正弦输入电流,从而使负载功率因素接近1.0.PFC电路通常基于专用的控制器IC、一个开关器件和一个能量储存电感器,即所谓的DC连接.
第一个控制环即电压控制环,试图在DC连接或PFC电路输出维持一个稳定的直流电压.这一控制环响应相对比较慢,大约在10Hz左右跨越0dB.第二个控制环即电流控制环有效地控制输入电流的波形.这一脉宽调制(PWM)斩波器电路必须跟踪整流正弦电压波形,因此,电流控制环的参考点是动态的.由于电流控制环必须跟踪交流电源频率,因此其交叉点可能达数KHz.
测试电压控制环
测试较慢的电压控制环和快速的电流控制环需要不同的方法:
PFC 电压控制环
电压控制环的测试是比较直接的.不需要对电路进行改动.实际上,在对电压环测试时,电流控制环仍在工作.注入点选择的一般规则在这儿都适用.您可在环中找一个源为低阻抗且信号限制在单条路径的点来注入扰动信号.注入采用的电阻值大约1,000 .
PFC电流控制环
测试较快的电流控制环需要更多考虑和注意,因为需要对电路进行一些变动才能获得对增益和相位裕量的真实评估.
1． 利用一个0 至 400-V 直流电源为PFC电路的输入供电.不需要交流电源,并且应该断开.
2． 禁止电压控制环工作,但并非整块IC.
3． 如果需要,为PFC控制器IC提供一个辅助电源,典型为+18V.
4． 利用一个0至10-V直流电源根据输入电压的相应水平来控制PFC输出电流.实际上,0至10V直流电源将控制控制器内的控制增益并代替电压参考(对50或60Hz交流电频率通常每秒变化100至120次).电流反馈环应当跟踪输入电源,因此利用0至10V直流电流来设定不同的条件.
5． 在PFC的输出适加一个可变负载.
6． 采用一个100- 注入电阻连接在电流传感电阻和PFC传感输入之间.
7． 从50Hz扫描到约开关频率的一半.检查在第4点和第5点中所描述的不同设置组合情况下的环响应.例如,应该对控制环在零电流、峰值电流和中间状态下进行测试.
在PFC区的测量是危险的.应该确保隔离地和频率-响应分析仪输入通道以及信号发生器,以及后两者.
