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  • 開關(guān)電源環(huán)路補償圖文解析
    • 發(fā)布時間:2023-03-09 16:35:30
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    開關(guān)電源環(huán)路補償圖文解析
    開關(guān)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)定性兩個重要的指標(biāo)。響應(yīng)速度就是當(dāng)負載變化或者輸入電壓變化時,電源能迅速做出調(diào)整的速度。
    因為開關(guān)電源的負載多數(shù)情況下都是數(shù)字IC,其電流會隨著邏輯功能的變化而變化,比如FPGA在進行配置時,電流會增大一倍以上。而開關(guān)電源的輸入電壓也會有一定程度的波動。
    為了保證電源穩(wěn)定輸出,不產(chǎn)生跌落或者過沖,就要求電源必須迅速做出調(diào)整,使得最終輸出的電壓沒有變化。而電源的響應(yīng)速度就決定了電源的調(diào)整速度。
    由于電源加入了反饋系統(tǒng),就可能發(fā)生震蕩。如果電源系統(tǒng)的參數(shù)沒有設(shè)置好,就會產(chǎn)生震蕩,結(jié)果就是電壓上會被疊加一個固定頻率的波動。導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。
    開關(guān)電源如下圖所示:
    開關(guān)電源 環(huán)路
    從開關(guān)電源的框圖中可以看出,該系統(tǒng)是通過一個反饋電路,將最終輸出的變化反饋給比例電路,經(jīng)過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比較該信號和內(nèi)部參考信號的差異,來驅(qū)動后級脈寬調(diào)制器等一系列的輸出環(huán)節(jié),最終與干擾信號相互抵消,從而保證電源的穩(wěn)定。
    那應(yīng)該如何測量出電源的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性呢,在早期的調(diào)試中,大家會使用一個可變的電子負載來進行測試,但是由于現(xiàn)在的電子負載的變化頻率遠遠低于開關(guān)電源的開關(guān)頻率,該方法逐漸的不被大家所使用。
    目前比較常見的測試方式就是環(huán)路測試法。環(huán)路測試法就是向反饋回路中注入一個個單一頻率的正弦波序列信號,然后根據(jù)電源系統(tǒng)的輸出情況來判斷其對各個頻率干擾的調(diào)整能力。其環(huán)路響應(yīng)的Gain越高,就說明電源對該頻段的抗干擾能力越強。
    環(huán)路測試實際上是將干擾信號通過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輸出環(huán)節(jié)的級聯(lián)響應(yīng)。誤差放大器的響應(yīng)實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:
    開關(guān)電源 環(huán)路
    隨著一個個頻率信號的掃描,最終將各個頻道的環(huán)路增益繪制在一張圖上,就會得到一幅很直觀的頻域特性圖。
    最終環(huán)路特性曲線如下圖所示:
    開關(guān)電源 環(huán)路
    根據(jù)這張圖,我們就可以判斷電源設(shè)計是否穩(wěn)定,是否有優(yōu)化的空間。
    曲線的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)如下:
    穿越頻率:建議為開關(guān)頻率的5%到20%,過高則不穩(wěn)定,過低則響應(yīng)速度過慢。
    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。
    一般可從以下三個原則判定電源環(huán)路穩(wěn)定性:
    (1)、在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負載條件下,閉環(huán)回路增益為0dB(無增益)的情況下,相位裕度是應(yīng)大于45 度;如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度不應(yīng)小于30度。
    (2)、同步檢查在相位接近于0deg時,閉環(huán)回路增益裕度應(yīng)大于7dB,為了不接近不穩(wěn)定點,一般認為增益裕度12dB以上是必要的。
    (3)、同時依據(jù)測試的波特圖對電源特性進行分析,穿越頻率按20dB/Dec閉合,頻帶寬度一般為開關(guān)頻率的1/20~1/6。
    如果有環(huán)路分析儀,就好說了,低溫條件下,典型輸入典型輸出,測開環(huán)Bode圖,按照上述評判標(biāo)準(zhǔn)進行判斷就可以了。
    開關(guān)電源 環(huán)路
    干擾信號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,輸入信號必須在-50dbm左右,大概2mv左右,這個信號幅度太小,產(chǎn)生過于困難,一般的電磁噪聲信號都要高過這個信號的幅度。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,我們需要利用反饋來進行。
    注入點如何選擇
    選擇注入點,有一個比較簡單的方法,對于電壓源就是找設(shè)計電路時,用來計算電壓的那兩個電阻。設(shè)計電路時是按哪個電阻來調(diào)整輸出的,就加到哪個電阻上。對于電流源,也與電壓源大致相同,不過電流源中一般是沒有R1或者R2,只要將注入電阻放在反饋電電路之后就可以了。
    在沒有測試波特圖的條件情況下,我們?nèi)绾畏治龊团袛喹h(huán)路穩(wěn)定性呢?
    若沒有環(huán)路分析儀,就通過輸出動態(tài)負載響應(yīng)進行判斷,測試條件:規(guī)格書標(biāo)定的最低溫度運行(如-25℃),額定輸入電壓,輸出不要額外掛電容,負載進行半載—滿載—半載切換(一般電流變化率可按照工業(yè)電源的標(biāo)準(zhǔn)0.1A/us的變化率設(shè)定),若此時輸出動態(tài)響應(yīng)能做到這個樣子,基本就能判定環(huán)路很穩(wěn)了:
    開關(guān)電源 環(huán)路
    開關(guān)電源 環(huán)路
    對于典型的PWM開關(guān)電源,如果phase點jitter太大,通常系統(tǒng)會不穩(wěn)定(就是之前提到的相位裕量不足,在動態(tài)負載情況下,時域的表現(xiàn)),對于200~500K的PWM開關(guān)電源,典型的jitter值應(yīng)該在1ns以下。
    本質(zhì)為:開關(guān)占空比不穩(wěn)定
    開關(guān)電源 環(huán)路
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