1. 適用范圍
環(huán)路分析的應用場合很廣,在開關電源、運放反饋網(wǎng)絡中,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電源的穩(wěn)定性。掃頻測試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,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)。另外,環(huán)路分析也有單頻點測試功能。
開關電源的穩(wěn)定性關系到整個應用系統(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電源的環(huán)路穩(wěn)定性進行判斷和分析已經(jīng)成為評估 開關電源可靠性必不可少的方法。
在研發(fā)期間,反復的修改和調試電路時,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)是否達到穩(wěn)定狀態(tài),增強工程師對設計產(chǎn)品的信心。
3. 技術實現(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 偏差來設計算法,使輸出值逼近設定值。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) 路設計的不好,對于負載的瞬態(tài)改變,環(huán)路就不能做出及時恰當?shù)恼{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,對下一級構成損壞。此時若能夠對環(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,當 G(s)H(s)=-1,則其傳遞的值為∞,即增益是無窮大的,可以認為任意小的輸入擾 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,。伯德圖及相關參數(shù)如圖 3.2 所示:
伯德圖相關參數(shù)有:
1. 穿越頻率:增益為 0dB 時對應的頻率;
2. 相位裕度:增益為 0dB 時對應的相位差;
3. 增益裕度:相位為 0°時對應的增益差。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過伯德圖中的相位余量,增益余量,穿越頻率來衡量。
系統(tǒng)開發(fā)期間,研發(fā)人員可以在開發(fā)前期使用系統(tǒng)仿真軟件 Saber、PSIM、simplis 上面 進行環(huán)路電路的設計和模擬,在開發(fā)的中后期,則可以使用 ZDS3000/4000 系列示波器的環(huán) 路分析功能進行實際的環(huán)路電路特性的驗證和改進。
3.2 環(huán)路分析如何接線
開關電源實際上是一個包含了負反饋控制環(huán)路的放大器,會放大交流信號并對負載變化 作出反饋響應。為了完成控制環(huán)路響應測試,需要把一個擾動信號(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。我們需要把一個阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中, 才能注入一個擾動信號。例如下圖 2 所示的注入電阻為 5 Ω,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器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。
由于實際的注入和輸出的電壓一般都很小,因此信號注入端建議使用 BNC 頭轉夾子的 線纜進行信號注入,并且使用 X1 的探頭進行注入端和反饋端的信號測量。
環(huán)路功能的同步環(huán)路測試時,需要使用致遠電子環(huán)路測試配套的信號發(fā)生模塊與
ZDS3000/4000 系列示波器相連,通過示波器控制信號發(fā)生模塊配合生成需要的頻率信號,
環(huán)路測試信號接線圖如圖 3.3 所示。
同步環(huán)路測試的實物連接圖如圖 3.4 所示,該圖中使得一根 BNC 線纜連接 ZDS3000/4000 系列背部的觸發(fā)輸出端與信號發(fā)生模塊,信號發(fā)生模塊的輸出再用 BNC 線纜 連接到隔離變壓器,隔離變壓器的輸出通過 BNC 轉夾子的線纜,將信號注入到被測板的注 入電阻兩端,然后用兩根衰減比為 X1 的探頭,測量注入端與輸出端的信號。
3.3 掃頻測試的參數(shù)設置
點擊示波器面板上【Analyze】鍵,再點擊【環(huán)路測試】按鈕,進入環(huán)路測試功能菜單。
點擊【參數(shù)設置】按鈕,會彈出參數(shù)設置窗口,旋轉旋鈕 A 可選擇參數(shù),短按旋鈕 A 后可進行參數(shù)修改,其中包括【參數(shù)設置】、【濾波設置】和【同步設置】。如圖 3.5 所示:
? 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;
? 測試模式:可選掃頻或單點;
? 最小頻率:掃頻的最小頻率值,掃頻范圍最小值可選 10Hz 到 20MHz;
? 最大頻率:掃頻的最大頻率值,掃頻范圍最大值可選 100Hz 到 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):同步模式下需要設置,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 之間的輸出頻點個數(shù); ? 輸出電壓:同步模式下需要設置,設置信號發(fā)生模塊的輸出電壓峰峰值;
? 輸出阻抗:同步模式下需要設置,設置信號發(fā)生模塊的輸出阻抗,需要與被測電路 的阻搞匹配;
? 分段幅值:同步模式下需要設置,設置為 ON 時,可以當前設置的掃頻范圍內的每 個 10 倍頻點進行幅值調節(jié),如果設置為 OFF,則統(tǒng)一使用一個幅值。
檢測無誤后,則可以啟動環(huán)路功能的運行。環(huán)路功能的運行可以點擊菜單的【運行停止】 按鈕,或者直接按示波器面板上的【RUN/STOP】按鍵;
測試啟動后,界面會切換到環(huán)路掃頻運行的界面,功能會根據(jù)當前采樣到的頻率、相位 差、增益,不斷地繪制出頻率與相位、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。如圖 3.6 所示:
3.4 掃頻界面說明
ZDS3000/4000 系列環(huán)路分析功能擁有獨特的掃頻分析操作界面,對測試操作和用戶體
驗進行了創(chuàng)新性地設計,如圖 3.7 所示:
包含有如下區(qū)域:
1. 掃頻波形顯示區(qū)域:藍色曲線為增益曲線,橙色曲線為相位曲線,PM/GM 信息顯 示在右上角,可通過旋鈕 B 進行滾動查看每個測量點,并可放大顯示;
2. 快捷操作觸摸按鈕區(qū)域:這個區(qū)域擁有一排快捷操作按鈕,觸摸點擊操作,例如可 以載入校準參數(shù),可以切換增益和相位曲線的顯示方式;
3. 增益相位垂直刻度:顯示當前增益曲線和相位曲線的垂直刻度,在掃頻運行過程中,功能會自動調節(jié)垂直刻度,以滿足變化的曲線顯示范圍。在掃頻結束后,用戶可以 自己手動修改垂直檔位和范圍。
存儲通道操作區(qū)域:功能可支持存儲 8 組之前的掃頻曲線,方便進行測試之間的對比。 可對每組存儲通道進行顯示隱藏、重命令、導入導出等操作。
3.5 環(huán)路分析的結果分析
通過掃頻曲線伯德圖,可以直觀地看到整個頻率范圍內的增益和相位變化趨勢,方便觀
察和分析,做到心中有數(shù)。實測電源的掃頻曲線如圖 3.8 所示,增益裕量(GM)和相位裕
量(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。
從上圖的伯德圖和測量數(shù)據(jù)分析,增益和相位曲線比較平滑,穿越斜率(近似-1)也很 好,穿越頻率(621.4Hz)在該開關電源的合適范圍內,同時相位裕量(45.43°)滿足要求, 增益裕量(9.655dB)也基本滿足需求。
但在我們實際的使用測試過程中,可能會遇到一些疑問和狀況,下面從以下 4 個常見問 題來分析結果:
問題 1:掃頻曲線的低頻段,增益和相位曲線有抖動,是怎么回事?
分析:這種結果說明在這種頻率下信噪比可能太低了,干擾較大。一個簡單的提高信噪 比的方法是把所有頻段的注入電壓幅值提高。但是提高注入電壓可能會造成信號失真或者 0dB 穿越時對應的相位裕度結果不對。一種比較好的改進方法是使用環(huán)路分析的分段幅值輸 出功能,可以通過設置每 10 倍頻范圍的不同輸出幅值,來實現(xiàn)不同頻率范圍的不同注入電 壓幅值。分段幅值的參數(shù)設置如圖 3.9 所示:
問題 2:如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定?
分析:系統(tǒng)穩(wěn)定的判斷分析依據(jù)大致有:
1. 穿越頻率(增益為 0dB 時對應的頻率):建議為開關頻率的 5%到 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°到 80°
3. 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
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 = 0db - 測量值)
相位裕量的作用,是確保在一定的條件下(包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負載變 化、溫升等)系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定,使用在標稱輸入額定負載室溫下,要有 45°的裕量;如果輸入 電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕量不應小于 30°。
相位裕量應保持在一定范圍內,太小或太大都會影響系統(tǒng)對擾動的調節(jié)能力,因此建議 是 45°到 80°為合適范圍。如圖 3.10 所示。
增益裕量為了不接近不穩(wěn)定點,一般認為 10dB 以上是必要的。
對于穿越斜率在-1 左右的條件,應當注意,并不是絕對要求開環(huán)增益曲線在穿越頻率 附近的增益斜率為必須為-1,但是由于-1 增益斜率對應的相位曲線相位延遲較小,且變化相 對緩慢,因此它能夠保證,當某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略時,相位曲線仍將具有足夠的相位 裕量,使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。
穿越頻率的頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應的快慢。一般認為帶寬越寬,其對負 載動態(tài)響應的抑制能力就越好,過沖、欠沖越小,恢復時間也就越快,系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。 但是由于受到右半平面零點的影響,以及開關頻率等其他因素的限制,電源的帶寬也不能無 限制提高,一般取開關頻率的 1/20 到 1/5。
問題 3:如何查看所有頻點的值?
分析:掃頻曲線可以通過旋鈕 B 來移動觀察每一個光標線處的測量值,同時,當前掃 頻測試的數(shù)據(jù),以及 8 個掃頻存儲通道的數(shù)據(jù),都可以在【數(shù)據(jù)報表】菜單中,通過表格瀏覽所有的測試數(shù)據(jù),以及對數(shù)據(jù)進行 html 和 csv 類型的報表導出。如圖 3.11 所示:
3.6 環(huán)路分析的注意事項
1、尋找干擾信號注入點
在電壓反饋型的開關電源電路中,測試信號注入點為反饋回路的取樣點與輸出電壓點 之間。要辨別采樣點比較簡單,只需觀察反饋電壓由輸出電壓的哪條支路分壓得到即可。
注入電阻可選擇 5 到 100 歐的電阻,這種電阻在反饋電路中影響不大,推薦在系統(tǒng)設 計時就提前預留此電阻。
2、注入信號幅度調節(jié)
注入信號的幅度經(jīng)驗值可設為輸出電壓的 5%。如果幅度不能過小,示波器可能無法識 別;過大則可能使系統(tǒng)出現(xiàn)非線性導致測量失真。另外環(huán)路分析功能還具備分段幅值的設置 功能。
3、掃描頻率范圍設定
由于系統(tǒng)的穿越頻率大致為開關頻率的 1/20 到 1/5 左右,因此掃頻范圍應設在穿越頻率 附近的范圍,在這個范圍內,一般可以找到環(huán)路的穿越頻率點。此處留意環(huán)路系統(tǒng)穿越頻率 不能過低,否則環(huán)路無法響應高頻的負載波動,從而引起輸出電壓的噪聲。
4、測試探頭的使用
由于注入信號幅度微弱,推薦選用 1X 衰減的探頭測試。若使用 10X,則信號衰減后很 容易被噪聲淹沒。在接地時也盡量使用接地彈簧,而不是接地夾子。
5、PM/GM 顯示值
環(huán)路掃頻結束后會計算 PM 和 GM 值,GM 值是當相位曲線第一次穿越 0°時的頻率點,0db 與該頻率點的增益測量值的差值,即 GM=0db - 增益測量值@相位第一次穿越 0°的頻點,因 此正常情況下該頻點的增益測量值為負值,GM 值為正值。而 PM 值為增益曲線第一次穿越 0db 的頻點對應的相位測量值與 0°的差值,如果該頻點之前相位曲線存在 360°的翻轉,則 PM 值會在 0db 頻點的相位測量值的基礎上加上翻轉相位值。
4. 總結
致遠電子 ZDS3000/4000 系列系列示波器支持環(huán)路測試分析軟件。相對于幾十萬的專業(yè) 環(huán)路分析儀器,ZDS3000/4000 系列內嵌的環(huán)路測試分析軟件不僅有完善的環(huán)路測試方法和 精準的測量精度,并且對測試操作和用戶體驗進行了創(chuàng)新性地設計。
該分析軟件具有獨特設計的波形顯示和快捷操作的界面,具有多種顯示方式和測量方 式,主要特點如下:
? 支持掃頻測試模式和單點測試模式
? 支持多種測量選項:增益-相位(FRA)、阻抗-相位、幅值-相位、THD-相位
? 支持掃頻曲線的合并顯示和分開顯示
? 支持掃頻曲線的檔位可調、偏移可調,可設置曲線的顯示隱藏
? 支持正向和反向放大器,相位范圍可選[-180°~180°]和[-360°~0°]
? 支持開啟硬件濾波,支持低通濾波和帶通濾波
? 支持光標測量,自動 PM/GM 測量
? 支持相位校準,以及校準參數(shù)的導入導出
? 掃頻模式的頻率范圍可選從 10Hz 到 30MHz
? 單點模式支持自動和手動方式
? 掃頻模式的每種測量方式支持存儲 8 個暫存波形,并且自動存儲
? 所有存儲波形支持重命名、設置描述信息、顯示隱藏、相位校準、查看數(shù)據(jù)、指定 存儲通道波形數(shù)據(jù)的導入導出,清除指定存儲通道波形的數(shù)據(jù),同時可指定顯示某 個存儲通道的波形或顯示、隱藏所有存儲通道波形
? 測試結果數(shù)據(jù)的導出,導出的數(shù)據(jù)類型支持 html 和 CSV
? 獨特的環(huán)路界面顯示,多種一鍵快捷操作