開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定的試驗(yàn)方法

1、 6.5開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定的試驗(yàn)方法前面頻率特性分析方法是以元器件小信號(hào)參數(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)在線性范圍內(nèi)，似乎很準(zhǔn)確。但有時(shí)很難做到，例如電解電容ESR不準(zhǔn)確且隨溫度和頻率變化；電感磁芯磁導(dǎo)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(shí)甚至相差甚遠(yuǎn)。分析方法只是作為實(shí)際調(diào)試的參考和指導(dǎo)。因此，在有條件的情況下，直接通過測量運(yùn)算放大器以外的環(huán)路的頻率響應(yīng)，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(duì)環(huán)路補(bǔ)償，并通過試驗(yàn)檢查補(bǔ)償結(jié)果，應(yīng)當(dāng)說這是最直接和最可靠設(shè)計(jì)方法。采用這個(gè)方法，你可以在一個(gè)星期之內(nèi)將你的電源閉環(huán)調(diào)好。前

2、提條件是你應(yīng)當(dāng)有一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀。6.5.1如何開環(huán)測試響應(yīng)橋式、半橋、推挽、正激以及Buck變換器都有一個(gè)LC濾波電路，輸出功率電路對(duì)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6.48（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=15卩H，C=2600uF,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(hào)頻率特性，變換器必須工作在實(shí)際工作點(diǎn)：額定輸出電壓、占空比和給定的負(fù)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

3、撲來說，開關(guān)電源的閉環(huán)是一個(gè)以參考電壓為輸入的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。輸入電源的變化和/或負(fù)載變化是外界對(duì)反饋控制環(huán)路的擾動(dòng)信號(hào)。取樣電路是一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(gè)原點(diǎn)極點(diǎn)。在低頻閉環(huán)時(shí)，由于原點(diǎn)極點(diǎn)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(gè)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UsNsU1bNp*Nr*驅(qū)動(dòng)Uy/工CoUdcQIa)UoR1UsResrR2BPWMBbAEAUeaB誤

4、差放大Uref圖6.48正激變換器環(huán)路增益測試僅有極小誤差（相對(duì)于參考電壓）。例如，誤差放大器在很低頻率增益可能達(dá)到80dB或更高，因?yàn)?0dB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(dāng)然遠(yuǎn)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(bǔ)償?shù)南辔?，以此選擇誤差放大器類型。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(diǎn)，在輸入端將測試的

5、掃頻信號(hào)和決定直流工作點(diǎn)的偏置電壓求和工。直流工作點(diǎn)的偏置電壓是一個(gè)可調(diào)直流電源（調(diào)節(jié)工作點(diǎn)）和一個(gè)交流掃頻交流信號(hào)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(fù)載達(dá)到規(guī)定的測試條件（輸入電壓最大和最小，負(fù)載滿載和輕載），然后測試分壓器輸出ACt和掃頻信號(hào)輸出AC.的交流信號(hào)的幅值和相位，就得到相似于圖6.36的除放大器以外的增益特性G（ACt/AC.）。應(yīng)當(dāng)注意，我們正在研究的是電源的小信號(hào)響應(yīng)，是在一定工作點(diǎn)附近的線性特性，所以測試應(yīng)當(dāng)在實(shí)際工作點(diǎn)（在規(guī)定的輸出電壓和負(fù)載以及規(guī)定的輸入電源電壓）進(jìn)行。即輸出如果是5V，就

6、應(yīng)當(dāng)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(jí)以內(nèi)，再進(jìn)行開環(huán)測試。測量開始前，應(yīng)當(dāng)確定變換器輸出端確實(shí)接有規(guī)定負(fù)載（最大或最小負(fù)載）。開始測量時(shí)，應(yīng)當(dāng)從零緩慢增加直流電壓，直到輸出達(dá)到額定輸出電壓。因?yàn)槭情_環(huán)，如果先調(diào)節(jié)輸出電壓到額定值，再調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，要是你忘記了接負(fù)載電阻，變換器空載或負(fù)載電阻很大，輸出電壓有可能過高而造成輸出電容擊穿。請(qǐng)注意，高增益功率級(jí)對(duì)可調(diào)直流電壓十分敏感，用普通的實(shí)驗(yàn)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(yīng)盡量調(diào)節(jié)到實(shí)際輸出電壓5%以內(nèi)。實(shí)在不行，你得買或做一臺(tái)可調(diào)節(jié)到mV以內(nèi)的精密電壓源。還應(yīng)當(dāng)

7、注意有些PWM芯片有失調(diào)電壓，電壓達(dá)到大約IV占空度仍然為零。有了這個(gè)頻率特性，就可以根據(jù)6.4節(jié)的方法選擇誤差放大器類型。根據(jù)開關(guān)頻率和穩(wěn)定性判據(jù)設(shè)定零點(diǎn)和極點(diǎn)位置EAin圖6.49注入掃頻信號(hào)的變壓器法6.5.2交、直流信號(hào)疊加電路交流與直流求和電路有變壓器法和混合法兩種。變壓器求和圖6.49所示電路為變壓器求和法。因?yàn)橥噍斎敕糯笃鬏斎胱杩箻O高，調(diào)節(jié)的直流電源提供的電流可以忽略，不會(huì)對(duì)變壓器造成磁偏；交流掃頻信號(hào)從變壓器初級(jí)輸入，接在次級(jí)的50Q電阻提供疊加的交流信號(hào)。變壓器次級(jí)線圈將直流信號(hào)短路，不影響直流電壓調(diào)節(jié)。變壓器將交流信號(hào)源與直流源隔離。特別是測量高電壓電源特性時(shí)，變壓器隔離

8、是很重要的。要小心設(shè)計(jì)求和變壓器，變壓器應(yīng)具有很寬的帶寬：即很低的頻率不能飽和，而很高的頻率不能有很大的寄生電容?；旌戏ㄓ捎谧儔浩鞣ǖ皖l磁飽和而不可能工作在任意低頻。另一個(gè)注入掃頻信號(hào)的方法是混合法（圖6.50）。這是一個(gè)同相放大器，在放大器的同相輸入端不管直流還是交流都是注入信號(hào)的1/2，因此對(duì)圖6.50混合法原理圖可調(diào)直流和掃頻注入信號(hào)都是1:1放大。而運(yùn)算放大器則應(yīng)當(dāng)選擇恰當(dāng)帶寬的器件，應(yīng)可工作到很高頻率。在你采用混合器之前，用網(wǎng)絡(luò)分析儀小心測量運(yùn)算放大器的響應(yīng)，特別是相位移。某些高增益帶寬的運(yùn)算放大器具有較大的相移，而有些運(yùn)放則沒有，但在手冊(cè)中并不能得到這些信息。不要忘記在運(yùn)放的電源上

9、并聯(lián)一個(gè)100nF的電容，避免直流電源內(nèi)阻抗對(duì)測量影響。在高頻測量時(shí)，要注意高頻信號(hào)的接入，并且輸出和輸入應(yīng)用BNC插頭?；旌戏ㄖ饕秉c(diǎn)是：1）為了將混合器插入環(huán)路，在PCB上你必須焊開一個(gè)元件，并且2）環(huán)路工作時(shí)的輸出電壓不能大于運(yùn)放的供電電壓。RiR2ACo圖6.51閉環(huán)測試原理圖6.5.3如何閉環(huán)測量變換器環(huán)路響應(yīng)從以上分析可知，開環(huán)測試環(huán)路（除誤差放大器以外）增益必須在工作點(diǎn)進(jìn)行，要達(dá)到補(bǔ)償后在任何工作狀態(tài)下都穩(wěn)定，所以必須測試4種前情況：最大和最小輸入電網(wǎng)電壓；最大和最小輸出負(fù)載。開環(huán)特性隨這些情況變化而變化，才能保證補(bǔ)償后閉環(huán)響應(yīng)在四種情況下都穩(wěn)定。從開環(huán)測量可以看到，在四種情況下

10、，都要調(diào)整精密電源和精確測量非常費(fèi)時(shí)費(fèi)事。同時(shí)，要是控制芯片上誤差放大器的同相輸出端不引出（8腳PWM芯片內(nèi)部參考電壓直接接到誤差放大器同相輸入端）時(shí)，就不能直接將誤差放大器接成跟隨器，測試就無法進(jìn)行。而且，每測試一種情況，就要調(diào)試一次工作點(diǎn)，十分麻煩。因此，在試驗(yàn)室可用閉環(huán)進(jìn)行測試。電路在閉環(huán)時(shí)，不需要外加可調(diào)穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)工作點(diǎn)，電路可以閉環(huán)調(diào)節(jié)自動(dòng)穩(wěn)壓。但是，誤差放大器如果補(bǔ)償網(wǎng)路處于開環(huán)工作，電路振蕩，無法進(jìn)行相應(yīng)測試。所以必須采取有效措施避免振蕩，又能有正確的工作點(diǎn)，通常將誤差放大器做成I類Venable放大器，如圖6.51所示。我們知道，在相當(dāng)?shù)皖l率時(shí)，直流電源環(huán)路增益總是固定的，同

11、時(shí)附加相位移為0：如果你調(diào)節(jié)一個(gè)確定的占空比，你就可以得到對(duì)應(yīng)的輸出電壓，占空比增加，輸出電壓就增加。這意味著變換器總有一個(gè)穩(wěn)定工作的足夠低的帶寬的負(fù)反饋系統(tǒng)。如采用I型放大器，只有一個(gè)原點(diǎn)極點(diǎn)。如果將此極點(diǎn)頻率遠(yuǎn)低于濾波器諧振頻率，放大器環(huán)路幅頻特性以一20dB/dec穿越OdB，附加相移為90，閉環(huán)是不會(huì)振蕩的。我們以圖6.52來說明這個(gè)方法。對(duì)于I型放大器，一個(gè)原點(diǎn)極點(diǎn)：f=po2兀RC假定用一個(gè)大電容1UF補(bǔ)償?shù)恼ぷ儞Q器的閉環(huán)，并使得f0=200Hz。測量得到圖6.52中曲線2是含有誤差放大器的響應(yīng)曲線。穿越頻率0=f0，相位移小于135，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且?guī)挒?00Hzf但這不是我

12、們感興趣的。閉環(huán)正是獲得開環(huán)特性的一種策略。實(shí)際帶有fp0=200Hz的誤差放大器特性如圖中曲線1。如果將曲線2減去曲線1可以獲得曲線3，這就是去除誤差放大器以外的頻率特性。實(shí)際上只要得到的測量波特圖，就可以設(shè)計(jì)誤差放大器。根據(jù)0=（1/41/5）fs選擇穿越頻率。實(shí)際開關(guān)頻率為100kHz，選擇fC0=20kHz穿越，比200Hz高100倍，即將電容減少0/f0=100倍。因要求的穿越頻率是測量曲線穿越頻率100倍，增益提升40dB，即在20kHz將曲線2的-80dB提升到曲線3的-40dB,這就是誤差放大器需要補(bǔ)償?shù)脑鲆婕s40dB，即102。相頻特性沒有變化，對(duì)應(yīng)20kHz環(huán)路相移為186

13、，因此環(huán)路不穩(wěn)定。就是除誤差放大器以外的相移為18690=96，不能采用I型放大器，而應(yīng)采用II型放大器。II型放大器的水平增益為40dB。根據(jù)總相位裕度為135，因此，誤差放大器最大相移為135-96=39。根據(jù)表6.1可以看到，只要選擇k=3（相位滯后36）就可以了。這個(gè)方法給出的結(jié)果幾乎與計(jì)算一致。注意：有時(shí)功率級(jí)的增益很低，同時(shí)如果要將環(huán)路補(bǔ)償?shù)礁哳l，用這個(gè)方法在足夠低于噪聲頻率（即-60dB）測量的增益。在這樣情況下，可以將1uF電容減少到100nF,這樣增益增加20dB。但是，測試環(huán)路增益要使用昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀，這是一般小型企業(yè)做不到的。在任何情況下，大信號(hào)帶寬始終小于或等于小信號(hào)

14、帶寬，因?yàn)樵谧儞Q器的閉環(huán)運(yùn)行進(jìn)入非線性之前首先小信號(hào)響應(yīng)，并由小信號(hào)帶寬決定。因此，有時(shí)將大信號(hào)響應(yīng)的非線性環(huán)路完全分離出去：然后必須決定當(dāng)每個(gè)環(huán)路工作時(shí)，在它們之間如何避免干擾等等。如有可能，環(huán)路應(yīng)當(dāng)避免大信號(hào)工作。例：將1.2V電源帶寬設(shè)計(jì)得很寬，同時(shí)測量閉環(huán)響應(yīng)有45相位裕度。遺憾的是當(dāng)負(fù)載階躍變化時(shí)，系統(tǒng)開始振蕩：運(yùn)放沒有足夠的增益帶寬和擺率，很多時(shí)間試圖達(dá)到穩(wěn)定值，首先達(dá)到正電壓，然后又掉到地電位，這樣來回?cái)[動(dòng)。要消除這個(gè)振蕩，更換一個(gè)相同管腳排列的高增益帶寬的運(yùn)放（高擺率）。1003120(a)1U-45-90-135-180-225（b）圖6.52閉環(huán)特性測試結(jié)果6.5.4電流型

15、控制理論圖6.53電流控制型變換器方框圖電流型與電壓型控制差別在于：電流型控制是兩個(gè)反饋控制環(huán)路，一個(gè)控制電感電流，一個(gè)是控制電容（輸出）電壓（圖6.53）。此系統(tǒng)控制理論不同于電壓型控制系統(tǒng)。但是，我們注意到電流控制型變換器高頻響應(yīng)的研究只是在近幾年。從實(shí)際觀點(diǎn)出發(fā)，用第二個(gè)內(nèi)環(huán)的理由是控制電感電流消除電感對(duì)輸出功率級(jí)傳遞函數(shù)的影響。這是因?yàn)楣β始?jí)傳遞函數(shù)已經(jīng)包含了電流環(huán)，所以，電感的影響被控制它的環(huán)路所吸收，并不會(huì)出現(xiàn)在環(huán)路內(nèi)。因而，不必?fù)?dān)心網(wǎng)絡(luò)諧振，并且高頻僅有單極點(diǎn)（輸出電容），所以，相移為90而不是180。這使得電流型比電壓型更容易控制，電流型控制變換器有可能得到寬的帶寬。電流型控制

16、的限制在電流型控制中通常用一個(gè)電阻（或一個(gè)互感器和一個(gè)電阻）檢測電流，并送到PWM芯片中。但是，隨著負(fù)載電流的減少，此信號(hào)的幅值自然減少。如果負(fù)載小到電流信號(hào)可以忽略時(shí)，電流反饋環(huán)不影響系統(tǒng)，于是，在輕載時(shí)電流型控制變成電壓型控制。所以，如果你給變換器在最大負(fù)載很寬帶寬，你需要小心檢查最小負(fù)載時(shí)額外（電感）的極點(diǎn)在帶寬內(nèi)，并引起不穩(wěn)定。由于這個(gè)原因，變換器的功率級(jí)輕載帶寬少于重載帶寬。從實(shí)際觀點(diǎn)，如果負(fù)載變化范圍是10：1的話，你不必在整個(gè)工作范圍用電流型控制。斜率補(bǔ)償當(dāng)電流型控制變換器占空度超過50%時(shí)，除非加斜率補(bǔ)償，變換器將震蕩在開關(guān)頻率的次諧波上，實(shí)際是一半開關(guān)頻率。問題的根源是這樣的

17、，當(dāng)電流達(dá)到某一定電平（由誤差放大器輸出設(shè)定）使開關(guān)關(guān)斷。如果占空度超過50%，電感電流斜坡上升時(shí)間大于周期的50%。很明顯，這意味著電感斜坡要以小于周期50%下降，此較小的時(shí)間意味著電感電流不能在下一周期開始時(shí)間回到它穩(wěn)態(tài)初始值，所以，下一周期電流開始關(guān)斷太高。因此，在此下一個(gè)周期電感電流達(dá)到截止電平提前，關(guān)斷提前。實(shí)際關(guān)斷時(shí)間少于50%占空度。但截止時(shí)間拉長（50%），并因此下一個(gè)周期開始的電流太低，引起占空度大于50%，如此等等，在過流與欠流之間振蕩，這些次諧波振蕩在文獻(xiàn)中得到明確的證圖6.54加頻率補(bǔ)償?shù)碾娏餍涂刂谱儞Q器明。用一個(gè)固定的斜坡加到電流信號(hào)上的斜坡補(bǔ)償基本上解決了這個(gè)問題。

18、因?yàn)檫@個(gè)斜坡是恒值，很好的阻尼了電流信號(hào)的變化。事實(shí)上，斜坡補(bǔ)償?shù)膶?shí)際效果使得控制環(huán)路更象電壓型控制。如果你這樣來想，電壓型控制式固定斜坡與誤差放大器輸出比較所以附加上或多或少的斜率補(bǔ)償使變換器越來越接近電壓型控制，如果斜率補(bǔ)償幅度與電流信號(hào)幅度比是無限大，你就完全返回到電壓型控制。以上的解釋，這就是在低輸出功率時(shí)，電流型控制變換器回到電壓型控制的原因。還可以看到，附加的斜率補(bǔ)償使變換器處于電流型（一個(gè)極點(diǎn)）和電壓型（兩個(gè)極點(diǎn)）之間，這意味著當(dāng)你測量環(huán)路時(shí)，測量波特圖的斜率，你將發(fā)現(xiàn)在1個(gè)和兩個(gè)極點(diǎn)間是中間的（過渡的）。當(dāng)然，實(shí)際電路可能造成這樣傳遞函數(shù)。給電流控制型變換器加斜率補(bǔ)償（圖6.5

19、4）直接加一個(gè)固定斜率在電流檢測反饋信號(hào)上。不用詳細(xì)說明，加上不同的固定斜坡量要么做成很好的電流控制，要么良好的電源的音頻抑制。但實(shí)際上由于元件的公差和負(fù)載的變化不可能達(dá)到這兩種狀態(tài)。如果電流型控制變換器的占空度超過50%，變換器最要進(jìn)行斜率補(bǔ)償。為決定需要的正確補(bǔ)償量，實(shí)際方法是將變換器工作在最大負(fù)載電流，并加足夠的斜率補(bǔ)償，使得對(duì)次諧波穩(wěn)定。在低負(fù)載時(shí)，變換器仍然自動(dòng)穩(wěn)定。如何補(bǔ)償一個(gè)電流型控制器？電流型控制器可以和電壓型變換器一樣方法補(bǔ)償。用電流檢測電阻在變換器滿載時(shí)產(chǎn)生IC需要的最大信號(hào)（典型為IV）。如果你打算占空度大于50%，應(yīng)記住要加適當(dāng)?shù)仡l率補(bǔ)償?，F(xiàn)在和電壓型控制器（10kQ,

20、luF）樣，精確測量開環(huán)（電壓）增益，設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)路，并且你不要忘記檢查四個(gè)極限情況。可以測量電流環(huán)路嗎？以上的方法在測量電壓環(huán)路時(shí)被證明是如此成功和容易，是否可以用來測量電流型環(huán)路。首先電流環(huán)總是穩(wěn)定的，根據(jù)需要只要你記得加適當(dāng)?shù)匦甭恃a(bǔ)償,總是具有（產(chǎn)生）較大的相位裕度。只是平均電流型除外（后面討論）不需要測量電流環(huán)。其次，測量相當(dāng)困難，且事實(shí)上不能用網(wǎng)絡(luò)分析儀。這里牽涉到許多理論問題。這里模數(shù)變換，不能應(yīng)用普通的正弦波掃頻。你還得回想比較器將電流斜坡信號(hào)（電流加一個(gè)斜坡分量）與誤差放大器輸出相等時(shí)產(chǎn)生PWM信號(hào)。數(shù)字化代替拉氏變換，需要用Z變換描述系統(tǒng)，否則至少應(yīng)用模擬來近似比較器的動(dòng)態(tài)-包

21、含兩個(gè)右半平面零點(diǎn)。實(shí)際上，由于這個(gè)數(shù)字部分不能用原先的掃頻正弦波，代之以發(fā)明了某些復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制。無論如何，這些僅在大學(xué)里研究，決不能應(yīng)用在工程實(shí)踐上。如上所述，正常變換器中，電流環(huán)路基本上總是穩(wěn)定的。平均電流型控制平均電流型控制主要用在功率因數(shù)校正變換器中。與一般電流型控制規(guī)律不同。平均電流型控制的想法是用一個(gè)比較器代替電流信號(hào)與誤差放大器輸出比較，第二個(gè)放大器用來提供電流信號(hào)與誤差放大器之差的放大。這樣，在標(biāo)準(zhǔn)電流型控制電流環(huán)帶寬等于變換器的開關(guān)頻率，平均電流型電流控制環(huán)可能減少了帶寬。平均電流型電流誤差放大器可隨意補(bǔ)償達(dá)到希望的帶寬和相位裕度（采用與補(bǔ)償電壓誤差放大器相同的技術(shù)）?？梢?/p>

22、用以上討論的測量閉環(huán)的方法測量帶寬和相位裕度。穩(wěn)定性一般要求外環(huán)（電壓）比內(nèi)環(huán)（電流）帶寬窄。當(dāng)然，電流型控制電流環(huán)帶寬不能等于開關(guān)頻率。6.5.5非最小相位系統(tǒng)有時(shí)，即使你肯定你的測量是正確的，但你得到一個(gè)波特圖沒有任何意義。例如，波特圖在低頻附加相移位-180，隨頻率增加穿越零度上升到某最大值，然后再次返回下降。此響應(yīng)是非最小相位系統(tǒng)的特征，其波特圖不足以決定系統(tǒng)是否穩(wěn)定。非最小相位系統(tǒng)是任何開環(huán)傳遞函數(shù)在右半平面零的系統(tǒng)。通過了解反激變換器如何工作很容易明白這意味著什么。對(duì)于一個(gè)反激變換器，當(dāng)負(fù)載電流增加（負(fù)載電阻減少）時(shí)，輸出電壓開始瞬時(shí)下降，為了輸出更多功率，就要在初級(jí)電感中存儲(chǔ)更多

23、的能量，反饋增加晶體管的占空度，即晶體管導(dǎo)通時(shí)間延長。這意味著在此期間直到它再次關(guān)斷前沒有能量傳輸?shù)截?fù)載。但是這引起輸出電壓的進(jìn)一步降低。如果環(huán)路沒有設(shè)計(jì)處理好這個(gè)關(guān)系，電壓保持跌落。因此，這是180相位移，這就是基本右半平面零：增加占空度減少輸出電壓?；貞浧鸨竟?jié)前面的部分，一個(gè)右半平面零當(dāng)相位仍要減少時(shí)引起增益平坦變化，使其保證穩(wěn)定困難。作為一個(gè)規(guī)則，設(shè)計(jì)變換器的帶寬保證右半平面零出現(xiàn)在比帶寬更高的頻率。但是，應(yīng)當(dāng)小心，此零隨負(fù)載移動(dòng)。所以你需要檢查四個(gè)工作限值（輸入輸出最大最?。?，以確認(rèn)右半平面零沒有問題。乃奎斯特（Nyquist）極點(diǎn)因?yàn)榉亲钚∠辔幌到y(tǒng)波特圖不足以確定穩(wěn)定性，我們需要不同

24、的方式顯示信息，稱為乃奎斯特圖?；貞浧痤l率特性可以用復(fù)數(shù)表示，波特圖由兩項(xiàng)組成：一是傳遞函數(shù)虛部和實(shí)部平方和，再開方（10進(jìn)對(duì)數(shù)），就是模I幅值=*Im2+Re2一是相位（Re）相位=arctanIIm丿兩者都是頻率的函數(shù)。而乃奎斯特圖將虛部畫在y軸，實(shí)部畫在x軸的一個(gè)圖上（圖6.55）。在乃奎斯特圖上要點(diǎn)是“實(shí)部=-1,虛部=0”。圖6.55（a）指出了整個(gè)一個(gè)大標(biāo)尺（每格200單位）的乃奎斯特圖。你可以看到，圖順時(shí)針方向圍繞-1,0次，但因?yàn)閤軸刻度你不能夠詳細(xì)了解閉合-1,0發(fā)生什么。展寬這個(gè)圖縮小到每格1單位刻度（圖6.55（b），詳細(xì)展現(xiàn)了在粗糙圖上看不到的東西：圖在逆時(shí)針方向圍繞-

25、1,0一次，它也包含另一個(gè)回路，但這沒有關(guān)系，它不包含-1,0。凈結(jié)果是，圍繞-1,0零次：順時(shí)針+逆時(shí)針=-1+1=0.這保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的:如果圍繞-1,0凈為零，乃奎斯特圖表達(dá)了穩(wěn)定系統(tǒng)。作為一個(gè)實(shí)際方法，測量的乃奎斯特圖是不封閉的，這是因?yàn)榧炔荒軐㈩l率降到零，也不能將頻率上升到無窮。不過，在通常頻率范圍（10HZ100kHz）測量變換器響應(yīng)足以決定穩(wěn)定性，因?yàn)樵鲆娴投艘韵率浅?shù)，而在高端以上小于1。如果你注意到波特圖，環(huán)繞-1,0全部出現(xiàn)在你使用的相同頻帶。6.5.6系統(tǒng)穩(wěn)定的一些概念輸入和輸出阻抗作為實(shí)際反饋設(shè)計(jì)的最后的課題，我們要告訴你變換器的阻抗和對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)系。這里“系統(tǒng)穩(wěn)定”

26、是特定的一組變換器相互作用的穩(wěn)定。這是在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中常遇到的情況：例如，你的5V輸出變換器的輸出掛有3.3V輸出的變換器；或你的功率因數(shù)校正變換器輸出400V，然后你用一個(gè)變換器降壓輸出12V。關(guān)鍵問題是變換器的輸入、輸出阻抗必須保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。變換器輸入阻抗是輸入電流變化引起多大的輸入電壓變化。它與變換器的傳遞函數(shù)緊密相關(guān)。圖6.56說明一般測試方法。圖6.55穩(wěn)定系統(tǒng)乃奎斯特圖（a）圍繞（-1,0）區(qū)域細(xì)部（b）測試時(shí)變換器應(yīng)在額定負(fù)載和額定輸入電源下工作，但在電源上面疊加一個(gè)來自網(wǎng)絡(luò)分析儀小的交流掃頻正弦信號(hào)。隨著輸入電壓頻率的改變，輸入電流幅值也變化，兩者變化量之比就是輸入阻抗，乙

27、二U/,且為頻率的函數(shù)。in測試時(shí)注意刻度系數(shù)：通常電流測試頭的刻度每格10mV。所以如果你用1:1測試電壓，電流測試頭設(shè)定1A每格，于是1V/1A=1Q=1V/（lmV/A）=100，即40dB，則網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀數(shù)40dB，即為1Q。圖6.56變換器輸入阻抗Zi=U/I測試方框圖對(duì)于高功率電源，可能需要功率放大器驅(qū)動(dòng)變壓器，而不是用網(wǎng)絡(luò)分析儀直接驅(qū)動(dòng)。你將發(fā)現(xiàn)，你得找一個(gè)功率放大器，實(shí)際上最好的是老的線性（真空管）放大器最好，因?yàn)槭д娑鹊?。Buck變換器的輸入阻抗精確測量結(jié)果如圖6.57。在低頻，阻抗近似平坦。的確，輸入阻抗在低頻是常數(shù)。對(duì)于此Buck變換器，15V/0.78A=19.2Q,

28、25dB-Q,標(biāo)在圖上指出時(shí)25+40=65dB，這是圓圈的右邊。算得到的。此外我們注意到，輸入功率是15VX0.780A=11.7W,效率為85%）因?yàn)樽儞Q器是一個(gè)恒定負(fù)載，記住低頻相移位180：如果你增加輸入電壓，輸入電流減少！當(dāng)我們考慮變換器穩(wěn)定性時(shí)這種作用將引起問題。（相位在測量圖中沒有畫出來，實(shí)際上是不重要的）還要注意到，你聽到有人把變換器作為一個(gè)負(fù)阻抗。實(shí)際上他說的是這個(gè)180相位移，并且僅在低頻這樣說才是正確的。隨著頻率的增加，輸入電容的阻抗等于輸入阻抗，此頻率為f=38Hz2兀x19.2Qx220pF（實(shí)際測量的輸入電流750mA，不是計(jì)且輸出功率為5VX2=10W,所以變換器

29、dB(40dB=1Q)圖6.57Buck變換器輸入阻抗測試結(jié)果圖在這個(gè)頻率以上，電容90相移對(duì)輸入起主要影響。我們檢查曲線注意轉(zhuǎn)折：42dB刻度是2dBQ，即在500Hz為1.26Q。貝V2兀x500Hzx1.260_253肝比較合理的采用220uF。圍繞這個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)頻率我們看到稍微有些波動(dòng)，但不完全象開環(huán)情況，因?yàn)樽儞Q器與輸入電容并聯(lián)。在測量的頻率上部，我們可以看到由于輸入電容的ESR接入使增益平坦：C=-=5.2kHz2kx0.12Qx250pF這樣看起來變換器的輸入阻抗在低頻象一個(gè)負(fù)阻抗，抗。當(dāng)然如果你進(jìn)入足夠到高頻，你將開始看到象一個(gè)電感，中頻象一個(gè)電容，在高頻象一個(gè)正阻但在這些頻率系統(tǒng)中你可能必須考慮使用電纜。在某些情況為達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，電纜可能很重要。變換器輸出阻抗變換器輸出阻抗在概念上很相似于輸入阻抗：當(dāng)輕微改動(dòng)負(fù)載電流，輸出電壓變化多大？當(dāng)然理想情況我們希望變化為零，因?yàn)槲覀冃枰c負(fù)載無關(guān)的輸出電壓。測量的輸出阻抗如圖6