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【環路分析】用示波器做環路分析需要幾步?
日期:2018-06-05

 
儘管環路分析是檢測控制系統穩定性的重要手段,但是測試過程中有諸多細節需要注意。如何快速理解環路分析的意義?環路分析需要怎樣設定參數?環路分析的結果如何讀取?本文一一為你解答。
 

一、如何三句話講清楚環路分析在做什麼?

 
1、穩定可靠的系統必須是閉環系統(帶回饋)。控制器根據系統的實際輸出與理想輸出的偏差來設計演算法,使輸出值逼近設定值;
2、系統穩定性需要依靠環路中的增益相位裕量來量化,這個指標可以通過掃頻來測量;
3、環路分析就是在控制系統中注入頻率變化的干擾信號,從而得出系統的頻率回應曲線。
 
總結來說,通過環路分析就能知道當負載端變化時控制系統的表現是否穩定,就這麼簡單!
 
環路分析結果圖片
 
 

二、環路分析的結果是什麼?

 
示波器根據輸出信號、輸入信號的幅度、相位隨頻率變化的關係,可得到環路系統的伯德圖(幅頻特性、相頻特性)。想要對產品的穩定性有所瞭解,靠品牌、經驗、還有研發人員拍胸脯都是不夠的,有了伯德圖協助定量分析,一測便知!
 
環路分析資料包表
 
 

三、有了環路分析,電源性能會有哪些提升?

 
通過環路分析可以量化電源的頻率回應特性,從而將電源朝著更穩定的方向優化。工程師再也不用通過盲目的反復嘗試去積累經驗,器件選型也不用過分考慮裕量,從而更好的控制電源成本。
 
 

四、環路分析的關鍵測試步驟及參數設定

 

1、尋找干擾信號注入點

 
在電壓回饋型的開關電源電路中,測試信號注入點為反饋回路的取樣點與輸出電壓點之間。要辨別採樣點比較簡單,只需觀察回饋電壓由輸出電壓的哪條支路分壓得到即可。
 
注入電阻可選擇10~100歐的電阻,這種電阻在回饋電路中影響不大,推薦在系統設計時就提前預留此電阻。
 

2、注入信號幅度調節

 
注入信號的幅度經驗值可設為輸出電壓的5%。如果幅度不能過小,示波器可能無法識別;過大則可能使系統出現非線性導致測量失真。
 

3、掃描頻率範圍設定

 
環路系統的截止頻率推薦設為開關頻率的1/20~1/6,在這個範圍內,一般可以找到環路的穿越頻率點。此處留意環路系統穿越頻率不能過低,否則環路無法回應高頻的負載波動,從而引起輸出電壓的雜訊。
 
環路分析參數設置介面
 
 

四、環路分析測量系統的搭建

 
在ZDS4000環路分析開關電源的應用中,除了示波器之外,還需要信號發生器模組、高壓隔離變壓器配合。信號發生器模組用於注入信號的產生(普通信號發生器也可代替),高壓隔離變壓器用於隔離注入電路對環路電路工作的影響。
 
Tip:由於注入信號幅度微弱,推薦選用1X衰減的探頭測試。若使用10X,則信號衰減後很容易被雜訊淹沒。在接地時也儘量使用接地彈簧,而不是接地夾子。
 
 
 

五、環路分析樣例資料解讀

 
由於開關電源閉環系統的回饋較為簡單,可以根據環路分析所得的波特圖進行簡約分析:
  • 在閉環增益為0dB時,即穿越頻率時,相位裕度一般需要大於45度;
  • 在相位接近0度時,此時閉環增益應小於-20dB。
 
若符合上述條件,則此閉環為穩定系統。
 
如下圖所示,螢幕右上角顯示系統的相位裕度為135.5度,增益裕度為30db。
 
 

 
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