1 / 17

开关电源闭环系统

开关电源闭环系统. 开关电源总是用闭环负反馈来改善开环系统之响应，达到所期望的电源调整率，负载调整率，动态响应要求。系统基本上由误差放大， PWM 和电源开关回路，输出滤波器三个主要部分所构成。. 开关电源的潜在风险. 开关电源的稳定性会受到输入电源，输出负载，和温度的影响。其他会影响系统稳定性的各种因素如：元件在长期工作后公差变大，不当的输入滤波器，输出负载电容，开关的杂讯也会影响系统稳定性。 对于开关电源设计工程师来说，最尴尬的莫过于在线路设计完成，投入生产并把货交到客户手上之后，发现他设计的开关电源，是不稳定的。造成必须回收大量已经商品化的产品（例如复印机）。

galen
Download Presentation

开关电源闭环系统

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 开关电源闭环系统 开关电源总是用闭环负反馈来改善开环系统之响应，达到所期望的电源调整率，负载调整率，动态响应要求。系统基本上由误差放大，PWM和电源开关回路，输出滤波器三个主要部分所构成。

  2. 开关电源的潜在风险 • 开关电源的稳定性会受到输入电源，输出负载，和温度的影响。其他会影响系统稳定性的各种因素如：元件在长期工作后公差变大，不当的输入滤波器，输出负载电容，开关的杂讯也会影响系统稳定性。 • 对于开关电源设计工程师来说，最尴尬的莫过于在线路设计完成，投入生产并把货交到客户手上之后，发现他设计的开关电源，是不稳定的。造成必须回收大量已经商品化的产品（例如复印机）。 • 如果用几小时去做反馈回路波德图分析。提早作分析可以避免潜在的将产品从市场上回收和设计变更的危险。

  3. 落实电源稳定性分析 • 研发，设计，和品保工程师必须测定闭回路增益裕量度和相位裕量度，以掌握开关电源(SMPS)、不间断电源（UPS）等产品其的控制回路的稳定度。 • 反馈系统的设计影响到很多参数，如调整率，稳定度，及瞬态响应等。开关电源稳定性验证,必须包含输出电压电流在不同的负载件下仍能符合两项原则的要求。

  4. 反馈回路稳定性分析方法 时域分析： • 跳载（阶跃，load switching），瞬时加减载观察暂态响应 • 注入方波，注入方波信号观察输出波形试误（trial-and-error） 频域分析： • 仿真（Spice），以计算机模拟出波特图观察增益相位余量 • 频响分析（FRA）,是以扫频信号方式真实量测环路中的增益相位余量及波特图分析

  5. 波特图 • 开关电源闭环系统因为它的增益频响曲线只发生一个转折点，分析上比较不是那么困难，以波德图方法是对环路增益和相位余裕计算和显示的既简单又有效的分析方法。 • 总的来说，增益响应曲线在穿过0dB时应以20dB/Decade的斜率下降。在低频段由高增益或是藉由曲线斜率>20dB/Decade会让系统有比较好的负载调整率和线调整率。 • 大多数情况下工程师以检查反馈系统在闭回路增益为0dB（无增益）的情况下相位裕量(Phase Margin)是否大于45度。另外在相位接近于零度时闭回路增益裕量(Gain Margin)是否大于-20dB。如果核实符合此二条件，则此反馈回路会得到稳定的响应。

  6. 闭环路频响分析法 • 的相位裕量<40°，系统在跳载测试时会产生过激或振铃甚至震荡。相位裕量45°为最低的余量要求。50 ° ~80 °是既可以获得好的响应也只会有很小的过激。相位裕量>80°时系统上升时间长，动态性能差。 • 如果在转折频点Fc之后，虽然增益不为零但相位裕量不足，在稳定负载时不会发现问题，但是在大的跳载时会发现严重的震荡或是阻尼不足。 • 让系统稳定的捷径是把环路增益降低。但是这样会导致很糟糕的动态响应。 • 相位裕量在转折频点Fc和频点以下的频段都应保持大于45°。 • 大的带宽代表更快的瞬态响应，大的相位余度代表瞬变过程的过冲更小。

  7. 仿真SPICE与实际ACTUAL • 稳定度仿真是透过计算预测增益裕量和相位裕量，在实际对一个UPS的局部开关电源，输出DC40V的电池充电回路，做仿真与实测比较后，结果如下： • 仿真：相位裕量度65° 增益裕量-15dB • 实际：相位裕量度88° 增益裕量-33dB

  8. 预计与实测波德图比较 CAP SPEC ESR <7.5 CAP REAL ESR 0.3 CAP SPEC ESR <7.5 CAP REAL ESR 0.3

  9. 补偿网路的设计 • 针对控制到输出增益发生极点的频率附近，在补偿网路内加入零点，以使相位裕量达到>45°。 • 针对控制到输出增益发生零点的频率附近，在补偿网路内加入极点，以使增益曲线保持所希望的斜率。 • 如果因为在补偿网路加了零点而造成低频增益过低而无法得到好的直流调整率， 则在低频处加入一对零点与极点，以增强增益。

  10. 闭环评量的范例

  11. 闭环评量的测试条件 开关电源的稳定性会受到输入电源，输出负载，和温度的影响。所以在评估时要针对各种组合条件进行测试, 然后以波特图进行分析: 注：表格内1、2、是指相对编号的波特图

  12. 量测增益裕量和相位裕量 • 实际量测以注入一干扰信号(error signal)到反馈回路的输入，再以两个量测通道作频响分析 (Frequency Response Analyzer) 增益裕量和相位裕量。 • PSM2200/1700 采用 DFT (Discrete Fourier Transform) 技术将杂讯所遮盖微小并的注入讯号分离出来进行分析。 • 藉由显示增益和相位，波德图（bode plot graph）或是各频点的增益和相位列表。PSM2200/1700 直接提供工程师开关电源闭回路增益裕量度和相位裕量度数据与图表。 工程师在修改过补偿电路之后再执行扫频观察修改的效果。

  13. 组建量测系统

  14. 接线设置

  15. 多组输出的量测 • 两组电源输出时，整个电源回路增益特性= GAIN1 + GAIN2 - 2*GAIN2 1 - GAIN1*GAIN2。因需要具备同时量测四个通道得功能，并没有人采用此技术。 • 测试多组输出（多组控制回路）电源的做法通常是针对各个独立的回路个别测试， 确认每个独立的各组回路的稳定性。 • 以一个双输出（+ 5V及+12V）电源为例，在量测个别的回路时要将另一组回路中断。如要测试+ 5V 回路，则将+12V 输出的反馈检出点断开，以另外一个+12V 电源代替。这样，+12V回路就不能构成。 • 以同样的方式与步骤走去测试+12V回路。若+ 5V及+12V两回路都做过稳定度的个别检验而且都是稳定的。那么，此电源的整体控制回路的稳定度是符合要求的。

  16. PSM2200/1700波德图 OUTPUT=Set 300mV (Vpk, No Loaded), the inject signal is 11.9mV (after injection transformer) Phase Margin 65.13  Phase 0  Gain 0dB Gain Margin -30dB 489Hz 8kHz 100Hz 1kHz 10kHz 100kHz

  17. PSM2200/1700波德图 OUTPUT=Set 1.5V (Vpk, No Loaded), the inject signal is 57.4mV (after injection transformer) Phase Margin 72.25  Phase 0  Gain 0dB Gain Margin -30dB 100Hz 318Hz 1kHz 10kHz 8kHz 100kHz

More Related