1. 適用范圍
環(huán)路分析的應(yīng)用場合很廣,在開關(guān)電源、運放反饋網(wǎng)絡(luò)中,環(huán)路分析可以測量系統(tǒng)的增 益、相位隨頻率變化的曲線(伯德圖),分析系統(tǒng)的增益余量與相位余量,以判定系統(tǒng)的穩(wěn)定 性;在被動器件的阻抗分析中,環(huán)路分析可以觀察電容、電感的高頻阻抗曲線,測量電容 ESR 等。本文將介紹環(huán)路分析在開關(guān)電源上的實際使用。
2. 原理概述
環(huán)路分析的一個重要作用就是分析開關(guān)電源的穩(wěn)定性。掃頻測試原理主要是給開關(guān)電源 電路注入一個頻率變化的正弦信號,測量開關(guān)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,可以為電子工程師設(shè)計穩(wěn)定的控制電路提供直觀的 數(shù)據(jù)。另外,環(huán)路分析也有單頻點測試功能。
開關(guān)電源的穩(wěn)定性關(guān)系到整個應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性,利用伯德圖可以看出在不同頻率下系 統(tǒng)增益的大小和相位。通過伯德圖來對開關(guān)電源的環(huán)路穩(wěn)定性進(jìn)行判斷和分析已經(jīng)成為評估 開關(guān)電源可靠性必不可少的方法。
在研發(fā)期間,反復(fù)的修改和調(diào)試電路時,環(huán)路分析可以提供直觀的數(shù)據(jù)對比,同時測量 非常便捷,能快速的判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),增強工程師對設(shè)計產(chǎn)品的信心。
3. 技術(shù)實現(xiàn)
3.1 環(huán)路增益模型
穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)通常是閉環(huán)系統(tǒng)(帶反饋)??刂破鞲鶕?jù)系統(tǒng)的實際輸出與理想輸出的 偏差來設(shè)計算法,使輸出值逼近設(shè)定值。圖 3.1 表示的是反饋環(huán)路控制部分中的運放的環(huán)增 益模型,其傳遞函數(shù)為:
如果變換器中沒有用到反饋控制環(huán)路(即圖 3.1 中 H(s)部分),其傳遞函數(shù)一般為,可以看出輸出隨輸入的變化而成線性的變化,沒有穩(wěn)壓的作用。如果反饋環(huán) 路設(shè)計的不好,對于負(fù)載的瞬態(tài)改變,環(huán)路就不能做出及時恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整,那么輸出電源瞬間 會偏高或者偏低,會造成電源系統(tǒng)的振蕩,對下一級構(gòu)成損壞。此時若能夠?qū)Νh(huán)路測量就顯 得很重要了。
放大器的開環(huán)增益 G(s)是頻率的函數(shù),會隨著頻率的增加而減小,同時也和放大器的相 位有關(guān),當(dāng) G(s)H(s)=-1,則其傳遞的值為∞,即增益是無窮大的,可以認(rèn)為任意小的輸入擾 動都能引起輸出的無窮大,如果這種輸出無窮大的信號在反饋到功率變換環(huán)節(jié),勢必會造成 最后輸出的振蕩。所以說可以通過分析 G(s)H(s)的增益和相位來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
我們可以通過環(huán)增益 GH 的頻率特性來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時回路增益|GH|以及回路 相位差∠GH 的頻率特性可以用伯德圖來表示,。伯德圖及相關(guān)參數(shù)如圖 3.2 所示: