开关电源闭环反馈响应

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1、开关电源闭环反馈响应Testing Closed-Loop Feedback Response For Switching-Power Suppling Clarke-Hess 通信研究公司 Ken Salz开关电源依靠反馈控制环路来保证在不同的负载情况下得到所需的电压和电流。 反馈控制环路的设计影响到许多因素，包括电压调整、稳定性和瞬态响应。当某个反馈控制环路在某个频率的环路增益为单位增益或更高且总的 相位延迟等于360时，反馈控制环路将会产生振荡。稳定性通常用下面两个参 数来衡量：相位裕量：当环路增益为单位增益时实际相位延迟与360间的差值，以 度为单位表示。增益裕量：当总相位延迟为360

2、时，增益低于单位增益的量，以分贝为 单位表示。对多数闭环反馈控制系统，当环路增益大于0dB时，相位裕量都大于 45 （小于315）。当环路相位延迟达到360时，增益裕量为-20dB或更低。如果这些条件得到满足，控制环将具有接近最优的响应；它将是无条件 稳定的，即不会阻尼过小也不会阻尼过大。通过测量在远远超出控制环通常操作 带宽的情况下控制环的频率响应，可以保证能够反映出所有可能的情况。一个单输出开关电源的控制环增益和相位响应曲线。测量是利用一个 GP102增益相位分析仪（一种独立的用来评价控制环增益和相位裕量的仪器）进 行的，然后输入到电子表软件中。在这一例子中，从0dB增益交点到360测量得

3、到的相位裕量为82（ 360 到278）。从0dB增益交点到相位达到360的增益裕量为-35dB。把这些增益和 相位裕量值与-20dB增益裕量和60相位裕量的目标值相比较，可以肯定被测试 电源的瞬态响应和调节是过阻尼的，也是不可接受的。0dB交点对应的频率为160Hz，这导致控制环的响应太慢。理想情况下， 在1或2KHz处保持正的环增益是比较合适的，考虑到非常保守的增益和相位裕 量，不必接近不稳定区即可改善控制环的动态特性。当然需要对误差放大器补偿 器件进行一些小的改动。进行修改后，可以对控制环重新进行测试以保证其无条 件稳定性。通常可利用频率响应分析仪（FRA）或增益-相位分析仪进行这种测量

4、。 这些仪器采用了离散傅里叶变换（DFT）技术，因为被测信号经常很小且被掩盖 在噪声和电源开关台阶所产生的失真中。DFT用来从中提取出感兴趣的信号。 测试信号注入为进行测量，FRA向控制环中注入一个已知频率的误差信号扰动。利用 两个FRA通道来判断扰动要多长时间才能从误差放大器输入到达电源输出。扰动信号应该在控制环反馈信号被限制在单条路径的地方注入，并且来 自低阻抗的驱动源。连接到电源输出或误差放大器输出的反馈路径是注入扰动信 号的好地方。通过信号发生器通过一个隔离变压器连接到测试电路，以保证FRA信号 发生器和被测试电路间的电气隔离。注入方法将扰动信号注入到误差放大器的输 入。对于电源输出电

5、压在FRA最大输入电压限制以内的情况，这一方法是合适的。如果被测量电源的输出电压比FRA最大输入电压还要高，那么第一种注 入方法就不适用了。扰动信号被注入到误差放大器的输出，此处的控制环对地电 压比较低。如果电源电压超过FRA输入范围则应采用这种注入方法。选定合适的注入点以后，还必须仔细地设定扰动信号的幅度。扰动的响 应可通过连接到电源输出的示波器看到。开始时，FRA信号发生器幅度应该设为零和低频率，通常在控制环带宽 的低端。然后慢慢提高FRA信号发生器的幅度。FRA信号发生器幅度的一个比较 好的起始点是能够在示波器上看到电源输出电压波动为额定输出电压的 5%左 右。必须在控制环带宽的高端重复

6、这一过程以确保是否可在整个控制环带 宽上使用同样的驱动水平。FRA发生器不能欠驱动或过驱动控制环。在此种条件 下进行的任何测量都是不准确的。不大可能在整个控制环带宽范围内使用同一组FRA信号发生器设置。这 种情况下，可以利用幅度补偿来保证频率切换和环增益变化时扰动信号稳定。这 可以通过控制FRA信号发生器幅度，从而保证恒定的误差放大器输入来达到。进行测量FRA的两个输入分别连接到注入隔离变压器的次级的两端。CH2测量控 制环输出，CH1测量控制环输入。测量是相对于地进行的。从10Hz扫描到30KHz，观察增益和相位测量重复性，以保证注入控制 环的扰动信号幅度是正确的。参考增益-相位图表核对控制

7、环增益和相位裕量。可在误差放大器一级加入适当的补偿器件。再次进行从低频到高频的扫 描可以看到补偿值变化的效果。理想情况下，环增益每频程应该下降-20dB，特 别是在控制环增益经过单位增益时。功率因数校正电路反馈控制环并不仅限于用于开关电源的输出调节。通常用在整流桥后的 动态功率因数校正（PFC ）电路中采用两个控制环来达到正弦输入电流，从而使 负载功率因素接近1.0。PFC电路通常基于专用的控制器IC、一个开关器件和一 个能量储存电感器，即所谓的DC连接。第一个控制环即电压控制环，试图在DC连接或PFC电路输出维持一个 稳定的直流电压。这一控制环响应相对比较慢，大约在10Hz左右跨越0dB。第

8、 二个控制环即电流控制环有效地控制输入电流的波形。这一脉宽调制（PWM ）斩 波器电路必须跟踪整流正弦电压波形，因此，电流控制环的参考点是动态的。由 于电流控制环必须跟踪交流电源频率，因此其交叉点可能达数KHz。测试电压控制环测试较慢的电压控制环和快速的电流控制环需要不同的方法：PFC电压控制环电压控制环的测试是比较直接的。不需要对电路进行改动。实际上，在 对电压环测试时，电流控制环仍在工作。注入点选择的一般规则在这儿都适用。 您可在环中找一个源为低阻抗且信号限制在单条路径的点来注入扰动信号。注入 采用的电阻值大约1,000。PFC电流控制环测试较快的电流控制环需要更多考虑和注意，因为需要对电

9、路进行一些 变动才能获得对增益和相位裕量的真实评估。1. 利用一个0至400-V直流电源为PFC电路的输入供电。不需要交流电源，并且应该断开。2. 禁止电压控制环工作，但并非整块IC。3. 如果需要，为PFC控制器IC提供一个辅助电源，典型为+18V。4. 利用一个0至10-V直流电源根据输入电压的相应水平来控制PFC 输出电流。实际上，0至10V直流电源将控制控制器内的控制增益并代替电压参 考（对50或60Hz交流电频率通常每秒变化100至120次）。电流反馈环应当跟 踪输入电源，因此利用0至10V直流电流来设定不同的条件。5. 在PFC的输出适加一个可变负载。6. 采用一个100-注入电阻

10、连接在电流传感电阻和PFC传感输入之间。7. 从50Hz扫描到约开关频率的一半。检查在第4点和第5点中所描 述的不同设置组合情况下的环响应。例如，应该对控制环在零电流、峰值电流和 中间状态下进行测试。在PFC区的测量是危险的。应该确保隔离地和频率-响应分析仪输入通 道以及信号发生器，以及后两者。高频电源变压器设计原则要求和程序出处/作者：徐泽玮 国际电子变压器编辑部摘要：从高频电源变压器作为一种产品（即商品）出发，说明了它的设计原则和 要求，并介绍了它的设计程序。关键词：高频电源变压器；设计原则；设计要求；设计程序1前言电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁 电磁元

11、件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率的大 小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA0.5kVA为中功率， 0.5kVA25VA为小功率，25VA以下为微功率。传送功率不同，电源变压器的设 计也不一样，应当是不言而喻的。有人根据它的主要功能是功率传送，把英文名 称“Power Transformers”译成“功率变压器”，在许多文献资料中仍然在使用。 究竟是叫“电源变压器”，还是叫“功率变压器”好呢？有待于科技术语方面的 权威机构来选择决定。同一个英文名称“PowerTransformer,还可译成“电力变压器”。电力变压器主要用于电力输配系 统中起

12、功率传送、电压变换和绝缘隔离作用，原边电压为6kV以上的高压，功率 最小5kVA,最大超过上万kVA。电力变压器和电源变压器，虽然工作原理都是基 于电磁感应原理，但是电力变压器既强调功率传送大，又强调绝缘隔离电压高， 无论在磁芯线圈，还是绝缘结构的设计上，都与功率传送小、绝缘隔离电压低的 电源变压器有显著的差别，更不能将电力变压器设计的优化设计条件生搬硬套地 应用到电源变压器中去。电力变压器和电源变压器的设计方法不一样，也应当是 不言而喻的。高频电源变压器是工作频率超过中频（10kHz ）的电源变压器，主要用于高 频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中 作高频逆

13、变电源变压器的。按工作频率高低，可分为几个档次：10kHz50kHz、 50kHz 100kHz、100kHz 500kHz、500kHz 1MHz、1MHz 以上。传送功率比较大 的，工作频率比较低；传送功率比较小的，工作频率比较高。这样，既有工作频 率的差别，又有传送功率的差别，工作频率不同档次的电源变压器设计方法不一 样，也应当是不言而喻的。如上所述，作者对高频电源变压器的设计原则、要求和程序不存在错误概念， 而是在2003年7月初，阅读电源技术应用2003年第6期特别推荐的2篇高 频磁性元件设计文章后，产生了疑虑，感到有些问题值得进一步商讨，因此才动 笔写本文。正如电源技术应用主编寄语

14、所说的那样：“具体地分析具体的情 况”，写的目的，是尝试把最难详细说明和选择的磁性元件之一的高频电源变压 器的设计问题弄清楚。如有说得不对的地方，敬请几位作者和广大读者指正。2高频电源变压器的设计原则高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器 的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价 格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、 短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频 电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要点”一 文中，只谈性能，不谈成本，不能不说是一大缺

15、憾，如果能认真考虑一下高频电 源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源 高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规 律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。 往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推 广不开值得大家深思。产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因 此，为了节约时间，根据以往的经验，对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感 与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据，对窗 口填充程度，绕组导线和结构推荐一些方案，有什么

16、不好？为什么一定要按步就 班地来回进行推算和仿真，才不是概念错误？作者曾在20世纪80年代中开发高 频磁放大器式开关电源，以温升最低为条件，对高频电源变压器进行过优化设计。 由于热阻难以确定，结果与试制样品相差甚远，不得不再次修正。现在有些公司 的磁芯产品说明书中，为了缩短用户设计高频电源变压器的时间，有的列出简化 的设计公式，有的用表列出磁芯在某种工作频率下的传送功率。这种既为用户着 想，又推广公司产品的双赢行为，是完全符合市场规律的行为，绝不是什么需要 辨析的错误概念。问题是提供的参考数据，推荐的方案是否是经验的总结？有没 有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些说法，都需要经过实践检验，才能站 得住脚。总之，千万记住：高频电源变压器是一种产品（即商品），设计原则是在具 体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯