四北電子解析開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定的試驗方法
前面頻率特性分析方法是以元器件小信號參數(shù)為基礎，同時在線性范圍內(nèi)，似乎很準確。但有時很難做到，例如電解電容ESR不準確且隨溫度和頻率變化；電感磁芯磁導率不是常數(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，有時甚至相差甚遠。分析方法只是作為實際調(diào)試的參考和指導。因此，在有條件的情況下，直接通過測量運算放大器以外的環(huán)路的頻率響應，根據(jù)6.4節(jié)的理論分析，利用測得的頻率特性選擇Venable誤差放大器類型，對環(huán)路補償，并通過試驗檢查補償結(jié)果，應當說這是最直接和最可靠設計方法。采用這個方法，你可以在一個星期之內(nèi)將你的電源閉環(huán)調(diào)好。前提條件是你應當有一臺網(wǎng)絡分析儀。
1、如何開環(huán)測試響應
橋式、半橋、推挽、正激以及Buck變換器都有一個LC濾波電路，輸出功率電路對系統(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=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。為了測量小信號頻率特性，變換器必須工作在實際工作點：額定輸出電壓、占空比和給定的負載電流。
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撲來說，開關(guān)電源的閉環(huán)是一個以參考電壓為輸入的電壓串聯(lián)負反饋電路。輸入電源的變化和/或負載變化是外界對反饋控制環(huán)路的擾動信號。取樣電路是一個電阻網(wǎng)絡的分壓器，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原點極點。在低頻閉環(huán)時，由于原點極點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（相對于參考電壓）。例如，誤差放大器在很低頻率增益可能達到80dB或更高，因為80dB即10000倍，迫使輸出檢測電壓接近參考電壓，誤差僅萬分之一，即0.01%。這當然遠優(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償?shù)南辔唬源诉x擇誤差放大器類型。
為了開環(huán)測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，在輸入端將測試的掃頻信號和決定直流工作點的偏置電壓求和Σ。直流工作點的偏置電壓是一個可調(diào)直流電源（調(diào)節(jié)工作點）和一個交流掃頻交流信號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。可調(diào)電壓增大輸出電壓也增大。調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓，使輸出電壓和負載達到規(guī)定的測試條件（輸入電壓最大和最小，負載滿載和輕載），然后測試分壓器輸出ACout和掃頻信號輸出ACin的交流信號的幅值和相位，就得到除放大器以外的增益特性Gt（ACout/ACin）。應當注意，我們正在研究的是電源的小信號響應，是在一定工作點附近的線性特性，所以測試應當在實際工作點（在規(guī)定的輸出電壓和負載以及規(guī)定的輸入電源電壓）進行。即輸出如果是5V，就應當將輸出精確調(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級以內(nèi)，再進行開環(huán)測試。
測量開始前，應當確定變換器輸出端確實接有規(guī)定負載(最大或最小負載)。開始測量時，應當從零緩慢增加直流電壓，直到輸出達到額定輸出電壓。因為是開環(huán)，如果先調(diào)節(jié)輸出電壓到額定值，再調(diào)節(jié)負載電阻，要是你忘記了接負載電阻，變換器空載或負載電阻很大，輸出電壓有可能過高而造成輸出電容擊穿。
請注意，高增益功率級對可調(diào)直流電壓十分敏感，用普通的實驗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，你應盡量調(diào)節(jié)到實際輸出電壓5%以內(nèi)。實在不行，你得買或做一臺可調(diào)節(jié)到mV以內(nèi)的精密電壓源。還應當注意有些PWM芯片有失調(diào)電壓，電壓達到大約1V占空度仍然為零。
1、如何開環(huán)測試響應
橋式、半橋、推挽、正激以及Buck變換器都有一個LC濾波電路，輸出功率電路對系統(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=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。為了測量小信號頻率特性，變換器必須工作在實際工作點：額定輸出電壓、占空比和給定的負載電流。
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撲來說，開關(guān)電源的閉環(huán)是一個以參考電壓為輸入的電壓串聯(lián)負反饋電路。輸入電源的變化和/或負載變化是外界對反饋控制環(huán)路的擾動信號。取樣電路是一個電阻網(wǎng)絡的分壓器，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原點極點。在低頻閉環(huán)時，由于原點極點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（相對于參考電壓）。例如，誤差放大器在很低頻率增益可能達到80dB或更高，因為80dB即10000倍，迫使輸出檢測電壓接近參考電壓，誤差僅萬分之一，即0.01%。這當然遠優(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償?shù)南辔唬源诉x擇誤差放大器類型。
為了開環(huán)測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，在輸入端將測試的掃頻信號和決定直流工作點的偏置電壓求和Σ。直流工作點的偏置電壓是一個可調(diào)直流電源（調(diào)節(jié)工作點）和一個交流掃頻交流信號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。可調(diào)電壓增大輸出電壓也增大。調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓，使輸出電壓和負載達到規(guī)定的測試條件（輸入電壓最大和最小，負載滿載和輕載），然后測試分壓器輸出ACout和掃頻信號輸出ACin的交流信號的幅值和相位，就得到除放大器以外的增益特性Gt（ACout/ACin）。應當注意，我們正在研究的是電源的小信號響應，是在一定工作點附近的線性特性，所以測試應當在實際工作點（在規(guī)定的輸出電壓和負載以及規(guī)定的輸入電源電壓）進行。即輸出如果是5V，就應當將輸出精確調(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級以內(nèi)，再進行開環(huán)測試。
測量開始前，應當確定變換器輸出端確實接有規(guī)定負載(最大或最小負載)。開始測量時，應當從零緩慢增加直流電壓，直到輸出達到額定輸出電壓。因為是開環(huán)，如果先調(diào)節(jié)輸出電壓到額定值，再調(diào)節(jié)負載電阻，要是你忘記了接負載電阻，變換器空載或負載電阻很大，輸出電壓有可能過高而造成輸出電容擊穿。
請注意，高增益功率級對可調(diào)直流電壓十分敏感，用普通的實驗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，你應盡量調(diào)節(jié)到實際輸出電壓5%以內(nèi)。實在不行，你得買或做一臺可調(diào)節(jié)到mV以內(nèi)的精密電壓源。還應當注意有些PWM芯片有失調(diào)電壓，電壓達到大約1V占空度仍然為零。
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