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电源回路转移函数测量指南
 

【作者: Frederik Dostal】2008年01月30日 星期三

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本文将示范如何单靠一个声频产生器(或简单的讯号产生器)示波器来量度波德图的关键点。内文将逐步解说整个测量方法并佐以大量图片,可使设计人员能够在最短时间内掌握到测量的方法。


步骤一:电路的准备

第一个步骤是要断开电源的回路,以便找出一个切入点注入一个小讯号(small signal),并用它来测量进出回路的讯号。通常,这个回路的断点都会选择在回馈路径中高边回馈电阻器上面的低阻抗输出节点。为了找到这个注入点,节点的一端应该是高阻抗而另一端则是低阻抗。现在选的注入点便具备了这个条件。 (图一)表示一个典型降压开关模式稳压器(如美国国家半导体的LM26001)的原理图和所需的测量装置。


《图一 测量的装设》 - BigPic:599x315
《图一 测量的装设》 - BigPic:599x315

为了要电气化分开测量点A和B,一个细小的电阻被放置在回馈路径中,电阻值最好为20Ω。配合这个电阻,经调节的输出电压便不会轻易地受到影响,便可建立用来注入小讯号的节点和测量系统。


《图二 电路板的准备建议》
《图二 电路板的准备建议》

任何可能与R1回馈电阻器并列的RC相位超前网路均应保持与R1平行,并且不会因加入20Ω的电阻器而受到改变。


(图二)表示一个优良的机械性测量结构。在电路板上的回授路径被折断,而一个20Ω的电阻器被焊接在电路板上。部份的评估板已经预留有一些焊位,可用来放置供测量稳定性用的电阻器。至于其他的电路板,它们相对比较容量地切断电路板上的回授迹线并通过一个20Ω的电阻器重新连接。对于两个电压探针和讯号注入电缆的连接,图2中的双绞线便很有用处。这种小型双绞线对避免杂讯拾波有很好的效果,这对一个良好的测量非常重要。紧密连接的双绞线可以跨行大约两英寸而不会出现问题。这种连接方式,将有助来自电压探针和讯号注入连接器的机械应力,但同时又不会因双绞线的紧密连接而影响了测量的结果。电压探针接地连接应该连接到电源电路板上的一个接地。 (图三)表示两个探针连接到电路板的情况。


步骤二:注入变压器

注入的讯号必须是与输出电压有关的小型讯号,而且它不可以改变电源的大型讯号特性,但它亦必须够大,以便当它流经回路时可以被侦测的到。可是,它一定不能令到回路改变其特性。例如,一个在回授引脚的过压保护临界不应因注入讯号而被触发。对于流经步骤一所描述的测量电阻器之注入正弦波讯号,其典型大小应处介乎30mV至100mV之间。至于其确实的数值则会取决系统的增益而改变,并会随着频率而变化。因此,在开始时应用一个较小的讯号,之后取决需要而加强,直至在示波器上看到注入讯号为止。这样可确保该讯号在应用中仍然可看作成一个小型讯号。这方面经常会用到注入变压器,因此不会有一个直流连接从测试中的电源到讯号产生器。在这类测量应用上,市面上有几种特别的变压器可供使用,它们均可在宽阔的频带范围内提供一个极平整的电压传送。当用一个网路分析仪来自动扫查频率时,那平整的增益便可带来好处。对于大部份的应用,尤其是当注入讯号的频率可人工改动时,变压器的电压转移特征可经由改变讯号或声频产生器的振幅而被均衡化。如此一来,即使是一个不能表现平整电压转移曲线的变压器都可使用,例如是供110V至12V离线转换用的廉价标准变压器。 (图三)为范例变压器。在(图1)、(图六)和(图七)的原理图中,该变压器被标示为T1。


《图三 注入变压器的装置和采用美国国家半导体LM26001的开关式电源电路与探针的连接》
《图三 注入变压器的装置和采用美国国家半导体LM26001的开关式电源电路与探针的连接》

步骤三:设定讯号产生器

讯号产生器应该能提供一个正弦波讯号,而其输出应该与注入变压器的110V输入端连接。然后,注入变压器的输出电压应该按讯号产生器的振幅设定来进行调节。这个步骤应该以不同的频率来测试,以确保讯号产生器的振幅可以调节到不会把电源电路驱动成非线性运作。讯号产生器的输出讯号之直流​​偏置电压应该设定成0V,因为我们只通过注入变压器来耦合交流电。


步骤四:设定示波器

示波器可以选用类比式或数位式,而最重要的是它拥有两个具有相同衰减的已校正示波器探针,以便简化测量的程式。之后,把两条通道都设定成最高的解析度并同时设定AC耦合。


为了防止开关杂讯占据示波器的画面和覆盖波形,需要将探针设定成最低的频宽极限。此外,为了取得正弦波的最佳触发图像,可触发依附着讯号产生器的第三条通道。基于高频开关所产生的杂讯拾波,要直接触发通道A和通道B可能会比较困难,但当直接触发讯号产生器时,那便可避免这个问题。此外,这种触发方式并不需要因通道A和B的振幅改变而进行再调节。


步骤五:设定电源

电源必须处于一个可进行稳定性测试的条件,这即意味要供电给电路板和把一个负载依附到输出上。为了尽量简化,(图三)不会显示出这些电缆的连接。对于测量稳定性,采用不同的负载和线路条件无疑是一个明智的做法。在低输出负载下,大部份的电源都会进入非连续电流导电模式,以表现出不同的回路特征。同时在电压模式下,由于转换器没有输入电压前馈,故回路特征将会随着输入电压而改变。在进行测量之前,必须确定已依附着横越电源频率注入电阻器的讯号注入变压器,以及依附着通道A和B的两个电压探针。两个示波器探针的接地应该依附到被测试电源上的共用接地。


步骤六:进行测量

当设定完成并接上电源后,示波器可能会在一条通道上显示出一条线而在其他的通道上显示出正弦波。假如正弦波没有出现,可能表示示波器并没有设定到最高振幅的解析度(一般情形是每格20mV),也可能是把讯号产生器的振幅设定得太低所导致。一旦示波器出现正弦波,改变讯号产生器的频率将会导致通道A和B的振幅产生变化。当到达某一个频率时,通道A和B的正弦波振幅会一样,而这个点的回路增益是1。这即是说注入系统中的讯号振幅与正通过回路的讯号之振幅是一样。这个由讯号产生器设定的频率正是系统0dB的交越(crossover)频率。


(图四)显示在示波器画面上的通道A和B,当中两个波形的振幅都是一样。这正是0dB分频点的频率。



《图四 表示出0dB分频点的测量》 - BigPic:699x491
《图四 表示出0dB分频点的测量》 - BigPic:699x491

在一般的情况下,两个正弦波都是互相位移,而两个讯号的相位差振幅便相当于在0dB的交越频率时的相位边限。


除了0dB分频点外,在较低的频率下有可能录得其他的关键点。通道A和B的振幅差别可给出讯号产生器设定某频率下时的增益。以下的表列是根据方程式 dB = 20log A/B所引伸出的电压差别和其相对应的dB数值。


(表一) 普遍采用的dB 值

dB 水平

电压比

-30dB

0.03162

-20dB

0.1

-10dB

0.3162

-3dB

0.7071

0dB

1

3dB

1.414

10dB

3.162

20dB

10

30dB

31.62


为了绘制出完整的波德图,讯号产生器的频率会被扫查,并量度在不同点上的增益,这些增益来自两条通道之间的振幅关系和相位位移的差别。有时可能很难在波德图上看得见很大或很小增益的点,应取决于测量用的示波器和回路的增益。例如一个30dB的增益,在示波器上很难看得见通道A和B之间的1:32电压关系。对于典型的设计,最重要的波德图点,例如是0dB分频点等,都可以轻易和比较准确地被量度出来。在较高增益的频率下,可能很难看得见确实的dB值,但例如是”增益很高或可能超出30dB”之类的定量观察便很容易做到。


回路测量只可在那些不会振荡或不在磁滞过压保护模式下才可成功地测量。为了得出一个可进行测量的稳定设计,可以在电流模式控制设计上使用一些妙计。假如设计中的错误放大器是一个跨导放大器的话,那便从补偿引脚至接地间放置一个大电容;而假如设计中的错误放大器是一个标准的电压到电压错误放大器的话,那大电容便应放置在补偿引脚至FB引脚之间。在这方面,1uF的电容一般都会足够。这样,将可在很低的频率下设定一个电极并强迫增益迅速下降,因此0dB都是出现在很低的频率。在电流模式控制的设计中,在很低频率下的相位边限通常都足以给出一个稳定的设计。这个方法可促使发电装置的增益测量成功地执行。可是,这方法只对绘制补偿至输出图表有好处,这种图表可表达功率级转移函数,而这转移函数对于为回路选择合适的补偿元件有很大的作用。


步骤七:分析波德图

在这个测量中,最重要的测量是增益的0dB交越频率,这资料可提供有关电源频宽的资讯和系统的相位边限。


系统频宽可以被看成是一个由DC增益级和0dB交越频率频率的组合。当在这个频率下比较通道A和通道B的相位位移时,便可量度出系统的相位边限,而这边际可反映出电源的稳定性。取决于有关设计的保守程度,相位边限的最低要求由45至50度,当然如果较大便更好。


(图五)表示一个用网路分析仪绘制的波德图,而测量用的是电流模式降压交换式稳压器。



《图五 降压电流模式开关稳压器的波德图》 - BigPic:699x438
《图五 降压电流模式开关稳压器的波德图》 - BigPic:699x438

此外,在波德图中亦可找到极点和的零点的频率,这资料对选择合适的功率级元件和补偿元件很有帮助。


测量发电装置的转移函数

除了(图一)的测量设定外,用来测量进入回路的注入讯号之通道亦可依附到如(图六)所示的电源设计中的补偿引脚。在这个设定中,会测量发电装置的转移函数,而且不会受到补偿网路依附到补偿引脚的影响。这测量可以提供有关功率级的宝贵资讯。凭着这些资讯,便可轻易地为转换器选择最合适的补偿元件以配合所需的频宽和相位边际。



《图六 用来测量转换器的设定》
《图六 用来测量转换器的设定》

特别输出级的测量

在本文第一个步骤时已提及在回路上必须找出一个注入节点,该节点的一端必须是低阻抗节点,而另一端则必须是高阻抗节点,以便放置注入电阻器和依附电压探针供测量之用。在典型的固定输出电压电源设计中,最佳的讯号注入点应介乎输出电压和高边回馈电阻器之间。可是,有些设计并不能提供这个点,当中一个例子是用来驱动LED的固定电流源电源。在这个设计中,真正令人注意的回路是经一连串LED来调节的电流。这电流通过一个高边电流感测器来测量,该感测器可感应LED的电流并把它变换成供回馈节点用的电压。为了要在回馈路径中产生出一个一端是低阻抗而另一端是高阻抗的空间,需要在回馈回路中加入一个运算放大器OP1来作为一个缓冲器。这种设定方法的例子为美国国家半导体的LMH6642。假如这放大器所选用的频率高于转换器交换频率的一半时,那在回路上来自这附加级的影响便可减到最小。 (图七)表示这类回路稳定性测量的设定。



《图七 人工生成注入节点的设定》
《图七 人工生成注入节点的设定》

总结

一个真正的网路分析仪能够自动扫瞄一个注入讯号的频率,并且能轻易地计算出通道A和B之间的相位差和增益。不过,测量电源的控制回路其实亦可使用实验室中的基本装置,例如是示波器、一个简单的讯号产生器和一个廉价的标准变压器。除了有关电源的线路和负载暂态评估外,在进行这个测量时亦可取得其他非常有用的资料,例如是电源设计的相位边限等。当在不同的频率下进行重复的测量后,便可绘制出一个基本的波德图,而过程中并不需要动用到昂贵的装置,却可获得一定程度准确性的增益计算。


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