在开关电源控制环路稳定性的分析过程中,理论计算完环路参数后,可以用仿真软件先跑一下,在交流小信号分析时,不用考虑在实际中干扰信号如何注入环路的问题,如图所示,就是一个典型的环路仿真验证电路:
在仿真环路中,只是将交流电压源串入反馈环路即可(蓝色圏中就是)。但是,我们在用网络分析仪实际测量电源产品时,并不能这样简单的将交流干扰源串入环路。
在上一篇文章的最后,提到在实际测量中,在何处选取干扰信号的注入点,但为什么是这个点,并且为什么要串入一个电阻,该电阻阻值该取多大,以及取不同阻值对最后测量结果有何影响,测量结果与实际值有多大误差?这些都是有待回答的问题。所以我觉得有必要说一说选择注入点的原则及需要满足的条件。我参照网上的一篇英文资料,翻译了一下,和大家共同学习学习。
1.负反馈简介
负反馈通常是用于控制系统。下面的图就是一个带负反馈的简单系统。
输出信号或者说输出电压与参考电压有下面的关系:
这个就被定义为“闭环传递函数”。
被定义为“开环环路增益”,它是环绕整个环路所有增益的乘积,在这种情况下等于:
知道了开环增益,人们就能通过测量增益和相位裕度来运用奈奎斯特稳定性判据,判断闭环系统整体的稳定性。
系统的开环增益可以通过系统建模的方式推导得到。建立的模型通常不考虑所有的寄生参数和不需要的效应。因此,在设计过程中,系统建模的方法在测量反馈系统的环路增益方面是有优势的。但是用建模的方法与实际测量的结果存在误差,最终还需要用网络分析仪测量,才能得到准确的结果。可该如何找到一个可操作的方法呢?下面具体介绍。
2.环路增益的测量
在类似DC-DC或者是电压调节器这样的电子反馈系统中,一个可实现的测量开环环路增益的方法是电压注入法。电压注入法的理论推导在后面的一节说明。下面先来说明在实际中怎样运用电压注入方法,再讨论还要考虑什么因素,才能得到正确的结果。
所谓的电压注入法:就是在系统反馈环路中选择一个合适的注入点,用一个适当的注入变压器(例如:B-WIT 100),注入一个测试电压,然后通过矢量网络分析仪或频率响应分析仪(类似于bode100),就能测出开环环路的响应。
为了测量反馈系统的环路增益,下面的图说明了建立这样的测量方法的原理:
在一个恰当的注入点(何为恰当的注入点,下一节具体说明),注入电阻被插入进反馈环路中。注入变压器并联在注入电阻上,并把测试电压加到注入电阻上。这样就能在不改变系统的直流偏置的情况下,注入的测试电压。
分析仪的输入端被同轴电缆或电压探头连接到注入电阻的两侧。环路的增益就是测量A点到B点的复数电压增益。
这里的就是被测量的开环增益,和是被测量的电压(注意是复数)。
如果从注入点沿着反馈环路向前看的阻抗远远大于向后看的阻抗,则被测环路增益近似等于“真实”的环路增益。
条件1
第2个条件也一定要满足,这样才能确保测量出来的开环增益近似等于真实的开环增益:
条件2
从这些方面,我们可以看到,选择一个恰当的注入点以满足上面2个条件是非常重要的。
在电源的输出端点,第1个条件通常是可以满足的,因为该点是低阻抗特性。该点在朝反馈环路前向看时,通常是高阻抗端点(类似运放的输入端就是这样一个点),所以该端点很适合做为一个注入点。
第2个条件就不太容易检查是否满足了。特别是测量环路增益较小时,穿越频率以上的频率范围更要小心检查该条件。后面会说明为什么有这个要求。
注入电压的幅值应该近可能保持较低的值,以避免较大幅值的信号引起的饱合和非线性效应影响测量结果。
如果注入电阻阻值足够小,那么注入电阻的阻值就不会影响测量结果。我们推荐用10Ω的电阻与B-WIT结合使用,可以满足从1Hz到10MHz频率范围内的测量使用。
下面将推导上面说的两个条件是如何得来的。
3.电压注入法
如下图所示,一般可以通过在一个适当的点A切断反馈环路,来测量反馈系统的开环环路增益。点A处两部分电路是电气连接的。
在注入点A的右则施加一个测试电压,就会导致在注入点A的左则有一个响应电压。
则测量到的环路增益就等于。
近一步观察注入点A处,在A点方框B1和方框B2是电气连接的,那么扩展一下我们的模型,就如下图:
第一个方框B1的输出部分等效模型是一个独立的电压源
并且包含电源内阻。这里B1对于电路其它部分来说,其实是一个电压源。第二个方框B2的输入部分的等效模型是输入阻抗。
通过上面的等效模型可以看出,第二个方框B2的输入阻抗就是第一个方框B1输出端的负载。观察这个包含和阻抗的模型,那么“真实”的系统环路增益就可以被计算:
(1)
如下图所示,电压注入已经被包含到模型当中了:
注入源被等效为理想电压源和一个串联的阻抗。在实际应用中,采用注入变压器并联一个注入电阻来实现,从本质上来说这两种方式都是等价的。为了测量环路增益,我们将矢量网络分析仪连接入系统中,并测量
系统的其它输入端(参考电压和电源电压)都被认为是常数,没有交流成份。
根据这个模型,误差电压可以通过下面公式得到:
考虑到电流从方框B1流到方框B2,则B1的输出电压能够写出:
并联两个方程,得到:
(2)
电流I(s)能表示为:
那么表达式2变为:
因此,测量的环路增益等于:
将表达式1得到的真实的环路增益,代入上式,得到测量环路增益,得到:
当时,第一部分的表达式是真实环路增益的一个比例系数,并约等于真实的环路增益。
要想实现
条件1是个必需的。
第二部分表达式限制了用电压注入法所能测量到的环路增益的最小值。如果这个表达式远远小于环路增益,那么该表达式就能被忽略。因此,为了保证
我们可以得到条件2。
不同注入电阻上的注入电压确实会影响从B1到B2的负载变化。但是,如果满足条件1,并且测试信号保持相对较小的幅值,那么注入电阻阻值的变化引起的影响就可以忽略不计了。
参考:
《Loop Gain Measurement – The Voltage Injection Method using the Bode 100 and the B-WIT 100》。