測量開關電源閉環反饋響應

Testing Closed-Loop Feedback Response For Switching-Power Suppling

■Clarke-Hess通信研究公司 Ken Salz

開關電源依靠反饋控制環路來保證在不同的負載情況下得到所需的電壓和電流.反饋控制環路的設計影響到許多因素,包括電壓調整、穩定性和瞬態響應.
    當某個反饋控制環路在某個頻率的環路增益為單位增益或更高且總的相位延遲等于360 時,反饋控制環路將會產生振蕩.穩定性通常用下面兩個參數來衡量:
    相位裕量:當環路增益為單位增益時實際相位延遲與360 間的差值,以度為單位表示.
    增益裕量:當總相位延遲為360 時,增益低于單位增益的量,以分貝為單位表示.
    對多數閉環反饋控制系統,當環路增益大于0dB時,相位裕量都大于45 (小于315 ).當環路相位延遲達到360 時,增益裕量為-20dB或更低.
    如果這些條件得到滿足,控制環將具有接近最優的響應;它將是無條件穩定的,即不會阻尼過小也不會阻尼過大.通過測量在遠遠超出控制環通常操作帶寬的情況下控制環的頻率響應,可以保證能夠反映出所有可能的情況.
    一個單輸出開關電源的控制環增益和相位響應曲線.測量是利用一個GP102增益相位分析儀(一種獨立的用來評價控制環增益和相位裕量的儀器)進行的,然后輸入到電子表軟件中.
    在這一例子中,從0dB增益交點到360 測量得到的相位裕量為82 (360 到278 ).從0dB增益交點到相位達到360 的增益裕量為-35dB.把這些增益和相位裕量值與-20dB增益裕量和60 相位裕量的目標值相比較,可以肯定被測試電源的瞬態響應和調節是過阻尼的,也是不可接受的.
    0dB交點對應的頻率為160Hz,這導致控制環的響應太慢.理想情況下,在1或2KHz處保持正的環增益是比較合適的,考慮到非常保守的增益和相位裕量,不必接近不穩定區即可改善控制環的動態特性.當然需要對誤差放大器補償器件進行一些小的改動.進行修改后,可以對控制環重新進行測試以保證其無條件穩定性.
    通常可利用頻率響應分析儀(FRA)或增益-相位分析儀進行這種測量.這些儀器采用了離散傅里葉變換(DFT)技術,因為被測信號經常很小且被掩蓋在噪聲和電源開關臺階所產生的失真中.DFT用來從中提取出感興趣的信號.
測試信號注入
    為進行測量,FRA向控制環中注入一個已知頻率的誤差信號擾動.利用兩個FRA通道來判斷擾動要多長時間才能從誤差放大器輸入到達電源輸出.
    擾動信號應該在控制環反饋信號被限制在單條路徑的地方注入,并且來自低阻抗的驅動源.連接到電源輸出或誤差放大器輸出的反饋路徑是注入擾動信號的好地方.
    通過信號發生器通過一個隔離變壓器連接到測試電路,以保證FRA信號發生器和被測試電路間的電氣隔離.注入方法將擾動信號注入到誤差放大器的輸入.對于電源輸出電壓在FRA最大輸入電壓限制以內的情況,這一方法是合適的.
    如果被測量電源的輸出電壓比FRA最大輸入電壓還要高,那么第一種注入方法就不適用了.擾動信號被注入到誤差放大器的輸出,此處的控制環對地電壓比較低.如果電源電壓超過FRA輸入范圍則應采用這種注入方法.
    選定合適的注入點以后,還必須仔細地設定擾動信號的幅度.擾動的響應可通過連接到電源輸出的示波器看到.
    開始時,FRA信號發生器幅度應該設為零和低頻率,通常在控制環帶寬的低端.然后慢慢提高FRA信號發生器的幅度.FRA信號發生器幅度的一個比較好的起始點是能夠在示波器上看到電源輸出電壓波動為額定輸出電壓的5%左右.
    必須在控制環帶寬的高端重復這一過程以確保是否可在整個控制環帶寬上使用同樣的驅動水平.FRA發生器不能欠驅動或過驅動控制環.在此種條件下進行的任何測量都是不準確的.
    不大可能在整個控制環帶寬范圍內使用同一組FRA信號發生器設置.這種情況下,可以利用幅度補償來保證頻率切換和環增益變化時擾動信號穩定.這可以通過控制FRA信號發生器幅度,從而保證恒定的誤差放大器輸入來達到.
進行測量
    FRA的兩個輸入分別連接到注入隔離變壓器的次級的兩端.CH2測量控制環輸出,CH1測量控制環輸入.測量是相對于地進行的.
    從10Hz掃描到30KHz,觀察增益和相位測量重復性,以保證注入控制環的擾動信號幅度是正確的.參考增益-相位圖表核對控制環增益和相位裕量.
    可在誤差放大器一級加入適當的補償器件.再次進行從低頻到高頻的掃描可以看到補償值變化的效果.理想情況下,環增益每頻程應該下降-20dB,特別是在控制環增益經過單位增益時.
功率因數校正電路
    反饋控制環并不僅限于用于開關電源的輸出調節.通常用在整流橋后的動態功率因數校正(PFC)電路中采用兩個控制環來達到正弦輸入電流,從而使負載功率因素接近1.0.PFC電路通常基于專用的控制器IC、一個開關器件和一個能量儲存電感器,即所謂的DC連接.
    第一個控制環即電壓控制環,試圖在DC連接或PFC電路輸出維持一個穩定的直流電壓.這一控制環響應相對比較慢,大約在10Hz左右跨越0dB.第二個控制環即電流控制環有效地控制輸入電流的波形.這一脈寬調制(PWM)斬波器電路必須跟蹤整流正弦電壓波形,因此,電流控制環的參考點是動態的.由于電流控制環必須跟蹤交流電源頻率,因此其交叉點可能達數KHz.
測試電壓控制環
    測試較慢的電壓控制環和快速的電流控制環需要不同的方法:
    PFC 電壓控制環
    電壓控制環的測試是比較直接的.不需要對電路進行改動.實際上,在對電壓環測試時,電流控制環仍在工作.注入點選擇的一般規則在這兒都適用.您可在環中找一個源為低阻抗且信號限制在單條路徑的點來注入擾動信號.注入采用的電阻值大約1,000 .
    PFC電流控制環
    測試較快的電流控制環需要更多考慮和注意,因為需要對電路進行一些變動才能獲得對增益和相位裕量的真實評估.
    1． 利用一個0 至 400-V 直流電源為PFC電路的輸入供電.不需要交流電源,并且應該斷開.
    2． 禁止電壓控制環工作,但并非整塊IC.
    3． 如果需要,為PFC控制器IC提供一個輔助電源,典型為+18V.
    4． 利用一個0至10-V直流電源根據輸入電壓的相應水平來控制PFC輸出電流.實際上,0至10V直流電源將控制控制器內的控制增益并代替電壓參考(對50或60Hz交流電頻率通常每秒變化100至120次).電流反饋環應當跟蹤輸入電源,因此利用0至10V直流電流來設定不同的條件.
    5． 在PFC的輸出適加一個可變負載.
    6． 采用一個100- 注入電阻連接在電流傳感電阻和PFC傳感輸入之間.
    7． 從50Hz掃描到約開關頻率的一半.檢查在第4點和第5點中所描述的不同設置組合情況下的環響應.例如,應該對控制環在零電流、峰值電流和中間狀態下進行測試.
    在PFC區的測量是危險的.應該確保隔離地和頻率-響應分析儀輸入通道以及信號發生器,以及后兩者.