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磁性元件、變壓器、電容發(fā)出噪聲、直流紋波偏大、輸出電壓震蕩、功率器件過熱……電源研發(fā)設計時遇到的這些問題,往往是控制環(huán)路不穩(wěn)定引起的,伯德圖告訴你如何解決! 

為什么要測環(huán)路? 

環(huán)路分析作為檢驗控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段之一,在許多應用場合都有其相應的應用,在開關電源、運放反饋網(wǎng)絡中,環(huán)路測試可以清晰準確的測試出開關電源的穩(wěn)定性和響應速度,可以為電子工程師設計穩(wěn)定的控制電路提供直觀的數(shù)據(jù)參考。而環(huán)路分析的測量方式可以大大減少環(huán)路穩(wěn)定性的驗證周期,并且具備直觀的波形曲線圖顯示,方便觀察和分析。

圖1 AC-DC開關電源拓撲圖

環(huán)路分析測試原理

環(huán)路分析可以掃頻或單頻點測試,掃頻測試的原理主要是給開關電源電路注入一個頻率變化的正弦信號,測量開關電源在頻域上的特性,通過分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來判斷環(huán)路是否穩(wěn)定,此外,還可以通過伯德圖顯示不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位。在產(chǎn)品研發(fā)期間,工程師往往需要反復的修改和調(diào)試電路,此時環(huán)路分析可以提供直觀的數(shù)據(jù)對比,快速判斷系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定狀態(tài),增強工程師對產(chǎn)品設計的信心!

圖2 ZDS4000/3000系列環(huán)路分析界面

環(huán)路分析測試步驟

1、搭建環(huán)路分析測試系統(tǒng)為了完成控制環(huán)路相應的測試,需要將一個擾動信號(一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號或單一頻點正弦波信號)注入到控制環(huán)路的反饋路徑中,這個反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網(wǎng)絡。此外我們還需要將一個阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中才能注入一個誤差信號。如下圖3．1中標注的注入電阻為5Ω,注入電阻與R1和R2串聯(lián)阻抗相比是微不足道的,所以用戶可以考慮把這個低阻值注入電阻作為長久使用的測試器件。另外還需要使用一個隔離變壓器來隔離這個交流干擾信號,從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。 

測試信號接線如圖3．1所示,通過示波器控制信號發(fā)生器輸出所需的頻率信號,經(jīng)過隔離變壓器后注入到注入電阻兩端,示波器同步使用X1衰減比的探頭進行測試,且在接地時盡量使用接地彈簧替代接地夾子。

圖3．1 環(huán)路測試信號接線

2、參數(shù)設置完成接線后我們需要在ZDS4000/3000系列示波器上進行環(huán)路測試關鍵參數(shù)的配置: 

注入通道:指連接注入基準信號的通道,以該通道為當前頻率的基準; 

輸出通道:指連接反饋輸出信號的通道; 

測量選項:可選增益-相位、阻抗-相位、幅值-相位和THD-相位; 

測量模式:可選擇掃頻或單點; 

最小頻率:掃頻的最小頻率值,掃頻范圍最小值可選10Hz～20MHz; 

最大頻率:掃頻的最大頻率值,掃頻范圍最大值可選100MHz～30MHz; 

濾波使能:是否使能掃頻時開啟數(shù)字濾波; 

濾波類型:當使能濾波后,可選擇低通或帶通濾波; 

截止頻率/中心頻率:低通濾波或帶通濾波的頻率設置; 

十倍頻點數(shù):設置信號發(fā)生模塊在對數(shù)下10倍頻點下的輸出的頻點個數(shù),例如100Hz到1KHz之間的頻點個數(shù); 

輸出電壓:設置信號發(fā)生模塊的輸出電壓峰峰值; 

輸出阻抗:設置信號發(fā)生模塊的輸出阻抗,需要與被測電路的阻抗匹配; 

分段幅值:設置為ON時,可以當前設置的掃頻范圍內(nèi)的每個10倍頻點進行幅值調(diào)節(jié),如果設置為OFF,則統(tǒng)一使用一個幅值。

圖3．2 參數(shù)設置界面 

3、開始測試

設置無誤后,可以通過示波器面板上【Run/Stop】按鍵或點擊菜單【運行停止按鈕】啟動測試,測試啟動后,界面會切換到環(huán)路掃頻運行界面,該界面會根據(jù)當前采樣到的頻率、相位差、增益,不斷地自動繪制出頻率與相位、頻率與增益的動態(tài)曲線,并且根據(jù)曲線的范圍,自動調(diào)節(jié)顯示的垂直刻度。其中,藍色曲線為增益曲線,橙色曲線為相位曲線。如下圖3．3所示:

圖3．3 掃頻測試運行界面

結果分析

通過掃頻曲線伯德圖,可以直觀的看到整個頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢,增益裕度(GM)和相位裕度(PM)信息顯示在掃頻界面的右上角,相位裕度(PM)是指增益穿越0dB時的相位值,增益裕度(GM)是指相位穿越0°的增益值,PM和GM是衡量開關電源穩(wěn)定的一個重要指標。

圖4 實測掃頻曲線 

通過最終的掃頻曲線

如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定? 

1、穿越頻率(增益為0dB時對應的頻率):建議為開關頻率的5%～20%; 

2、相位裕度(增益為0dB時對應的相位):要求一定要大于45°,建議45°～80°; 

3、穿越斜率(0dB附近):要求為單極點穿越,一般是要去穿越斜率在-1左右,即-20dB/十倍頻; 

4、增益裕度(相位為0°時對應的增益差):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 = 0bB – 測量值)。