基于FRA-開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量
廣州金升陽(yáng)科技有限公司 吳偉
摘要：本文從小信號(hào)的角度來(lái)看通過(guò)對(duì)反饋環(huán)路注入一擾動(dòng)信號(hào)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品造成的影響，來(lái)衡量產(chǎn)品的穩(wěn)定性，再利用環(huán)路分析儀檢測(cè)環(huán)路做定量的分析，其結(jié)果以便于日后工作的改進(jìn)，從而提高產(chǎn)品的可靠性。
關(guān)鍵詞：反饋環(huán)路、帶寬、相位裕量、增益裕量、穩(wěn)定性
title: a mearurement of swtich power supply based on FRA
ABSTRACT: THIS article describes the affection to the whole product, which is because of
injecting a perturbation signal into feedback loop,to evaluate the stability,
then by the use the frequency response analyzer equepiment gets an accurate result
,and the result is used for improvement ,as well as improve the products' reliablity.
keywords: feedback loop bandwidth phase margin gain margin stablity
隨著電子，自控，航天，通訊，醫(yī)療器械等技術(shù)不斷向深度和廣度的發(fā)展，勢(shì)必要求為其供電的電源要有更高的穩(wěn)定性，即不僅要有好的線性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率還要有快速的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)。而這些因素都和控制環(huán)路有關(guān)，控制環(huán)路一般工作在負(fù)反饋狀態(tài)，稱之為電壓負(fù)反饋。如果變換器中沒(méi)有用到反饋控制環(huán)路（即下圖1中H部分），其傳遞函數(shù)一般為 其中G為輸入濾波、功率變換、整流濾波部分等因數(shù)的乘積（因?yàn)槠錇榧?jí)聯(lián)的形式，所以本文中以總的乘積因子G來(lái)表示），可以看出輸出隨著輸入的變化而成線性的變化，但是由于整流、濾波網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)時(shí)域的非線性，實(shí)際上這種變化應(yīng)該是近似于線性，所以當(dāng)輸入電壓改變的時(shí)候并不能很好的起到穩(wěn)壓的作用；如果反饋環(huán)路設(shè)計(jì)的不好，對(duì)于負(fù)載的瞬態(tài)改變，環(huán)路不能做出及時(shí)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整，那么輸出電壓瞬間會(huì)偏高或者偏低，甚至有可能造成電源系統(tǒng)的振蕩，對(duì)下一級(jí)構(gòu)成損壞。此時(shí)能夠?qū)Νh(huán)路測(cè)量就顯得很重要了，那么環(huán)路部分又是怎樣影響整個(gè)回路的呢？參考金升陽(yáng)公司寬壓或者AC-DC系列產(chǎn)品，此時(shí)下圖表示的是反饋環(huán)路控制部分中的運(yùn)放的環(huán)增益模型，其傳遞函數(shù)為
其中G：開(kāi)環(huán)增益，H：反饋系數(shù)，GH：環(huán)增益（可以通過(guò)圖1中推導(dǎo)看出）
圖 1.Feed back
一、環(huán)增益穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)：
由傳遞函數(shù) 有，因?yàn)榉糯笃鞯拈_(kāi)環(huán)增益G是頻率的函數(shù)，會(huì)隨著頻率的增加而減小，同時(shí)也和放大器的相位有關(guān)，當(dāng)GH= -1，則其傳遞函數(shù)的值為∞，即增益是無(wú)窮大的，可以認(rèn)為任意小的輸入擾動(dòng)都能引起輸出的無(wú)窮大，如果這種輸出無(wú)窮大的信號(hào)再反饋到功率變換環(huán)節(jié)，勢(shì)必會(huì)造成最后輸出的振蕩，整個(gè)系統(tǒng)因而不再穩(wěn)壓。所以說(shuō)可以通過(guò)分析GH的增益和相位來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
又因?yàn)楫?dāng)GH= -1時(shí)是振蕩的，所以有相移∠GH是180°（因?yàn)樨?fù)反饋本身就有180°的相移），回路增益|GH|=1（0dB）。
所以要使運(yùn)放穩(wěn)定需要滿足以下條件：1.相位條件就是要其相移要小于180°，即要有45度以上的裕量；2.還要滿足增益條件即要有12dB以上的裕量；3.穿越頻率按20dB/Dec閉合。相關(guān)解釋下文給出。
二、Bode圖的基礎(chǔ)：
由上文知我們可以通過(guò)環(huán)增益GH的頻率特性來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的頻率特性可以用Bode圖(見(jiàn)圖2)來(lái)表示，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過(guò)Bode圖中的相位裕量(phase margin) ,增益裕量(gain margin)，穿越頻率(crossover frequency)來(lái)衡量。其中
相位裕量(phase margin)是指：在頻率-相位曲線上，當(dāng)環(huán)路增益為單位增益時(shí)實(shí)際相位延遲與360deg 間的差值，以度(deg)為單位表示，見(jiàn)圖2。
增益裕量(gain margin)是指: 在頻率-增益曲線上，當(dāng)總相位延遲為360deg 時(shí)，增益低于單位增益的量，以分貝(dB)為單位來(lái)表示，見(jiàn)圖2。
穿越頻率(crossover frequency)也有資料稱之為頻帶寬度等是指：在頻率-增益曲線上，增益為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值，見(jiàn)圖2。
圖 2 Bode plot? Gain margin? Phase margin
相位裕量(phase margin)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(fù)載變化、溫升等）系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定,使用在標(biāo)稱輸入額定負(fù)載室溫下,要有45度的裕量；如果輸入電壓、負(fù)載、溫度變化范圍非常大, 相位裕量不應(yīng)小于30度。
增益裕量(gain margin)為了不接近不穩(wěn)定點(diǎn)，一般認(rèn)為12dB以上是必要的。
穿越頻率(crossover frequency)頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應(yīng)的快慢。一般認(rèn)為帶寬越寬，其對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的抑制能力就越好，過(guò)沖、欠沖越小，恢復(fù)時(shí)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(diǎn)的影響，以及原材料、運(yùn)放的帶寬不可能無(wú)窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無(wú)限制提高，一般取開(kāi)關(guān)頻率的1/20~1/6。
三、環(huán)路的測(cè)試
對(duì)環(huán)路的增益和相位的測(cè)量，我們可以通常可利用頻率響應(yīng)分析儀(FRA)或增益-相位分析儀進(jìn)行測(cè)量。這些儀器是通過(guò)對(duì)采樣獲得的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，再利用DFT（離散傅里葉變換）運(yùn)算求得增益和相位，最后用曲線（Bode plo
關(guān)電源01.jpg)
