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用频率特性分析仪进行的开关电源的稳定性评估

发表时间:2022-01-30 11:24

用频率特性分析仪进(jin)行的开关电源的稳(wen)定性(xing)评估


环路增(zeng)益(yi)的测量(liang)      输出(chu)阻抗的(de)测量      部件传(chuan)导特性的测量(liang)      部件阻抗的测量


评(ping)估开关(guan)电源之际

  开(kai)关电源作为 OA 器械等的电源,因其小巧,轻量,高(gao)效率而被广泛应用。开关(guan)电源的内部,采用开关(guan)回(hui)路和 PWM 技术,为(wei)使其作为(wei)输(shu)出(chu)阻抗较低的恒定电(dian)(dian)压电(dian)(dian)源运作,其整(zheng)体由(you)负反馈(kui)电(dian)(dian)路构成。

  负反馈电路(lu)是(shi)早就(jiu)为人熟知的用(yong)的技术,但是(shi)若(ruo)稍有差(cha)错,就会引起(qi)异(yi)常振(zhen)荡等(deng)缺点,所(suo)以其稳定性的评估就(jiu)显得(de)尤(you)其(qi)重(zhong)要。虽然评估负(fu)反馈电路稳定性的方向有(you)好(hao)几种,但(dan)是定(ding)量(liang)评估之际,电(dian)阻增益测(ce)量(liang)是必不可缺的。

  另外(wai),根(gen)据负反馈技术,输(shu)出阻(zu)抗可以(yi)被减(jian)低但不(bu)能达到零,因此(ci)作为表示(shi)性能的指标之一,掌(zhang)握此(ci)值非常重(zhong)要。

  本 稿 使 用 本 公 司 生 产 的 频 率 特(te) 性 分 析 仪 (Frequency Response Analyzer 下(xia)称 FRA)来对(dui)开关电源的回路增益测量(liang)法(fa)和输(shu)出(chu)阻抗(kang)的测量(liang)法(fa)进行(xing)解(jie)说(shuo),而且也介绍和开关(guan)电(dian)源特(te)性渊源很深的(de)电(dian)解(jie)电(dian)容的(de)交流阻抗的(de)测(ce)量方(fang)法(fa)。

使用 FRA 测(ce)量法,有如下特长:

在实(shi)际运作状态下,能在宽频带范围内,以增(zeng)益±0.01dB,相位 ±0.06°的高精度,短时间(jian)测(ce)量。

测(ce) 量 结 果 可 以 波(bo) 特(te)(Bode)线 图,尼(ni) 奎(kui) 斯 特(te)(Nyquist)线图的形式直接打印获得。由(you)此,可立刻判断相位(wei)裕(yu)度,增益裕(yu)度等反馈电(dian)路的稳定性(xing)。

同样,输出阻抗(kang)的(de)频率(lv)依赖性也能一目(mu)了然(ran)。

即使构成系统(tong)的(de)模块有多个,也可在闭环状态下测量(liang)各模块的开环增益,而(er)且(qie)对模块的解析也很(hen)容易。

可轻易(yi)测量电子元件的阻抗的频率依赖性(xing)



一、用频率特性分析仪测量环路(lu)增益


1. 负反馈(kui)电路(lu)的稳定性


  负反馈电路的框图如下所(suo)示(shi) :


  负反(fan)馈(kui)电路(lu)的(de)增益可(ke)有下列公(gong)式求得:



  但(dan)是,放大器的增益 A 不是固定的,由于是频率(lv)的函数,因而(er)会(hui)随频率的增加而(er)减少。同(tong)时,放大器输出入的相(xiang)位关系也是,与放大器的增益变化相(xiang)关联,随频率一起变化的函数。在放大器的输出入的相位(wei)量(liang)为超过 180°的频率(lv)时,并且环(huan)路增益大(da)于 1 时,就会出现负(fu)反馈(kui)变成正反馈(kui),产生异常震荡的不稳(wen)定(ding)状态。另外,放大器的相(xiang)位量(liang)和环路(lu)增(zeng)益因反馈量(liang)而有所不(bu)同,时(shi)而稳(wen)定时(shi)而不(bu)稳(wen)定。

  因此,评估实际的负反馈内容的稳定性之际,测量(liang)图 1-2 所示(shi)的(de)环路增益(yi) Aβ的(de)频率特性非(fei)常(chang)有(you)必要。

  环路增益|Aβ|及(ji)环路相(xiang)位差 Aβ的频(pin)率特性(xing)用波(bo)特线(xian)图表(biao)示时,系统(tong)的(de)稳定现行可通过相位裕度及增益客限来判断。理(li)想的放大器(qi),其相位移动(dong)量(liang)为0°,在负(fu)反馈电路中的环路相位差为 180°是理想(xiang)值。


  相位裕度(du),如图(tu) 1-3 所示,是指增益为 0dB,频率(lv)为 f1 时的环(huan)(huan)路(lu)(lu)相位差比 0°大多少,也就是说环(huan)(huan)路(lu)(lu)相位差值。另外,回(hui)路相(xiang)位差为 0°频率为 f2 时的增益,比 0°dB 小(xiao)多少,被(bei)定义为(wei)增(zeng)益裕(yu)度。一般来说,为(wei)保持闭(bi)环响(xiang)应不出现峰值,相位(wei)裕度(du) 60°以(yi)上,增益裕度 6dB 以上是必要的(de)。负反馈电路中的(de)相(xiang)位(wei)裕度,可分别由相(xiang)对应的约(yue)为 30°(图 1-4,1-5)和 80°(图(tu)

1-6,1-7)时(shi)的矩形(xing)波(bo)(bo)(ei)的响应波(bo)(bo)形(xing)(eo)和波(bo)(bo)特(te)线图(tu)来表示,相(xiang)位裕度为 30°时,可观察(cha)到环路增益(yi)为0dB 的频率(lv),产生(sheng)了振荡效应。  阶跃(yue)响应和相位裕度(du),增益裕度(du)的(de)关系,大致如表 1 所示,请注意相位(wei)裕(yu)度和增益(yi)裕(yu)度,不能只控制(zhi)其中一方(fang),图 1-8 为其不稳定(ding)的例子。


2. 测量环路增益Aβ的方法


环路(lu)增益的测量采用了(le)给(ji)环路(lu)输入测量信号(hao)以后(hou)测量其响应的方(fang)法。这(zhei)个方(fang)法可(ke)以在实际(ji)运行状态下测量(liang)环路增益,所以数(shu)据的可信度较高。这是(shi)开关电源(yuan)的(de)稳定性评价的(de)主流测量方法(fa)。

作为给环路输(shu)入型号的方法(fa),这里(li)介(jie)绍简单而且(qie)实际上(shang)可(ke)以测得充(chong)分的数据的电阻(zu)法。测量框图及其等效电路如图 1-9图 1-10 所示。


  在等效电(dian)路的 A 点,通(tong)过(guo)连接在信号注入用电(dian)阻 Ri 的(de)输(shu)入信号源 Eg,发生相于 GND(地线)的(de)交流电压 Ein,Ein 通(tong)过 Aβ增幅,在 B 点(dian)出现相对(dui)于GND(地线)的(de)交流电(dian)压 Eout,这(zhei)时 Eout 和 Ein 的(de)关系为下式:


  为(wei)了让 Zin+Ri Zout,而且为(wei)了让注入电(dian)阻接(jie)近于插入前(qian)的状态 Ein=Eout,在 Zin Ri 的情况下,变为下(xia)面的(de)式子:

  就是说注入信号的点必须满足 Zin Zout,Zin Ri。而且 Eout 与 Ein 的关系(xi)在 Eout-Ein=Eg下(xia)为定量。这意(yi)味(wei)着随着由频率产生变化(hua)的 Aβ值得变化,Eout 与 Ein 的(de)绝对值(zhi)的(de)大小关系也(ye)将产(chan)生变化。


3. 用于测量(liang)(liang)开关电源的(de)环(huan)路增益的(de)测量(liang)(liang)仪


    环路增益如前(qian)面所述由测(ce)量信(xin)号注入点两(liang)端的电压比 Eout/Ein 的方法求出。

    可(ke)是因(yin)为在(zai)开关电源中,测量频率范围内的(de)测量水平(ping)产生 100dB 以上的(de)变化,特别是(shi)在低频率部分由于环路增益 Aβ=Eout/Ein 值很大,所以 Ein 变为非常小。如果(guo)信号强(qiang)度变小的话,相对(dui)地(di)噪声就会变大,所以(yi)测量信号的 S/N 值(zhi)(信号噪声比)会劣化。而且(qie),开关电源的(de)情况下(xia)就成为测量重(zhong)叠(die)在直流的(de)微小交流电压了。所以,为了高精度自动测(ce)量开关(guan)电源的环路增益,就需要满以下条件(jian)的测量(liang)仪。

① 为了测量 Eout/Ein(传(chuan)递函数),所(suo)以必须具(ju)备可同时测量 Eout 与 Ein 的 2 通(tong)道输(shu)入。

② 在(zai)环路增益(yi)大(da)的(de)情(qing)况下(xia),随(sui)着频(pin)率变化(hua),输(shu)入水(shui)平将产生 100dB 以上变化(hua)。所以输(shu)入的动态量程必须大(da),而且由于在输入变小的情况下相对地噪声将变大,所(suo)以必须(xu)具(ju)有去噪声的(de)能力。

③ 由于需要(yao)只对(dui)重(zhong)叠于直(zhi)流电压的交流成(cheng)分进行(xing)高精度测量(liang),因此需(xu)具有直(zhi)流除(chu)去(qu)功能。如(ru)果采用通常的交流耦(ou)合器(qi)(AC Coupling)除去直流部(bu)分的方(fang)法(fa),因此(ci)在(zai)低频(pin)率(lv)领域(yu)将产生相位回转,无(wu)法(fa)正确(que)进行传(chuan)递函数的测量。

④ 内藏输(shu)入信号用的振荡器(qi),而且其输(shu)出被浮置。


4. 环(huan)路增(zeng)益的实际测量(liang)


  使(shi)用频率特性分析仪(FRA)进行的开关电源环路增益(yi)测量(liang)方法如下。


4.1 测量顺序

① 确定向环路注入信号的位置。选择 Zin Zout, Zin Ri 的点,从该点向(xiang)环(huan)路串联(lian)连(lian)接(jie) 50Ω~100Ω的注(zhu)入电阻,并将(jiang) FRA 的振荡(dang)器输出与注入电(dian)阻的两端连接。这时,必须将 FRA 的振(zhen)荡(dang)器输出进行(xing)浮置(zhi)处理。

② 从注入电阻的(de)两端通过适当的(de)接线将信号提取出(chu)来,连(lian)接到(dao) FRA 的 CH-1 与 CH-2。

③ 在反馈电路的正常工作(zuo)范围内(线性(xing)工作(zuo)范围),加(jia)大 FRA 的振荡器输出强度(du)。

④ 将 FRA 的测量(liang)模式设定(ding)为 CH-1/CH-2(不过(guo)在CH-1 连接 Eout,CH-2 连接 Ein 的情况下)。然后,扫描其振荡频(pin)率以测得环路增益。


4.2 测量举例

  用 FRA 测量(liang)开关电源(图(tu) 1-11)的环路增益如图(tu) 1-13 所(suo)示。注入时环路如图 1-12 所示。




5. 测量时(shi)的注(zhu)意事(shi)项


  进行测量时(shi)的注意事项,以及将测量误差控(kong)制到最小限度的(de)方法如下。


5.1 连接方法

       关于开关电(dian)源的框图如(ru)图(tu) 1-14 所示。

       对于环路的信(xin)号注入点必须满足 ZinZout 的条件,在途中为 A 点或 B 点。在向 A 点注入信号时的连接图如图 1-15 所示(shi)。


5.2 注(zhu)入电(dian)阻的(de)电(dian)阻值

  测量时的(de)误差,是由注入电阻 Ri 与(yu)截断环路的(de)点上的(de)输入阻抗 Zin 之间的(de)比值 Ri/Zin 所产生(sheng)的(de)。因此,必须使用与(yu) Zin 相比足够小的(de) Ri 值。通(tong)常可以(yi)使用 50Ω~100Ω范围的电阻。


5.3 注(zhu)入信号的强(qiang)度

  环路增(zeng)益的测量,通过(guo)向(xiang)环路内注(zhu)入 FRA 的振荡输出(正(zheng)弦波)信(xin)号进行。如果注入(ru)的电压过大(da),则环路(lu)将偏离(li)线性工作区,所以测定值会与工作状态的环路增(zeng)益产生(sheng)偏差,得(de)出错误的判断(duan)。因(yin)此,在测量之(zhi)前,必须(xu)一(yi)边调节 FRA 的(de)振荡频率,一(yi)边对 Ein, Eout 的(de)交流波形(xing)(开关噪声重叠于正弦波上的(de)波形(xing))进行观(guan)测,以确认(ren)波形是否(fou)有大的失真。当环(huan)路不(bu)再进行(xing)线性运行(xing)时,Ein、Eout 的波形将变(bian)为如图 1-16所示的(de)有失(shi)真的(de)正弦波。在这种情况下,必须降低注入信号的轻度。

  在环路进行(xing)线性运行(xing)范围内(nei),加大(da)注入电压,将(jiang)能够得(de)到更(geng)准确地数值。


二(er)、用频(pin)率特性分析仪(yi)测量输出阻抗



1. 测量(liang)开关电(dian)源(yuan)的输出阻(zu)抗


  除了前面一(yi)章介绍(shao)的环(huan)路增益测量之外,作为开关电源的一项重(zhong)要(yao)性能,其还有(you)输出阻(zu)抗特性。由(you)于用作输(shu)出电压(ya)的开关电源都是恒压(ya)源,其(qi)输(shu)出阻抗非常(chang)低(理想的(de)恒(heng)压(ya)源输(shu)出阻(zu)抗为(wei) 0,但(dan)现实(shi)中输(shu)出阻(zu)抗在一定程度上总有一个值)。如果输(shu)出(chu)阻抗比(bi)较大,那么在连接负荷(he)(he)时输(shu)出电压(ya)就会降低。无负荷(he)(he)与额定负荷时的输出电压的变(bian)化(负荷调整率),只表示对于(yu)直流(liu)的输出阻抗,因此当负(fu)荷高速变动时,或连(lian)接电抗(kang)性负荷(he)时,只用直流输出(chu)阻抗(kang)就不能(neng)够掌握电源的动(dong)态情况了。

  这里,J9九游会AG 采用在(zai)测(ce)量环(huan)路增益特性中也使用过的频(pin)率特性分(fen)析仪(FRA),来给大家介(jie)绍(shao)在频(pin)率中测量输出(chu)阻抗的方(fang)法。

    采用本测量方法有如下(xia)优点:

可在开关电源进行实际运行的状态下,在短时间内,高精度地(di)对输(shu)出阻抗和相位特性进行测(ce)量。

因为能在 10μHz~15MHz(FRA51615)的宽阔频率范(fan)围内进行阻抗测量,所以(yi)可掌(zhang)握由高速变动着(zhe)的(de)负荷(he)所产(chan)生的(de)影响(xiang)。

测量结果不但能在液晶画面上用图形方式即时显示确认(ren),而且还能通过内(nei)置热敏打印机以硬拷贝(bei)形(xing)式输(shu)出。由此,可以立即确认由于常(chang)数变更等所引起的(de)输(shu)出阻抗的(de)变化。


2. 测(ce)量方(fang)法(fa)


  对(dui)于输出阻(zu)抗的(de)测(ce)量,采用的(de)方法(fa)是(shi)使微小的(de)测(ce)量信号电流通(tong)过开关电源的(de)输出环路(lu)并对由输出阻抗引(yin)起的电(dian)压降(jiang)落进行测量。当在开关电(dian)源上连接任意(yi)的负荷时,采用(yong)本方(fang)法(电(dian)阻(zu)法)可以掌握(wo)由不同(tong)负荷所引起的(de)输出(chu)阻抗的(de)变化情(qing)况,而且能(neng)得(de)到(dao)使用上所需的充(chong)分数据。

  测量框图和(he)接(jie)线图如(ru)图 2-1图(tu) 2-2 所示。


       在框图中,如果用(yong)于注入的电阻(zu) Rs 足够(gou)大(da),满足Z Rs 的条件,那么用于(yu)测量的电(dian)流(liu) i 就可以看成为电(dian)流值等于(yu) Eg/Rs 的恒流源。为了(le)获得更高的测量精度,如图 2-2 的连接线图所示,用电流检测(ce)电阻 Rsh来(lai)(lai)检测出电(dian)流值,并作为电(dian)压信号来(lai)(lai)输入到 FRA。也就是(shi)说(shuo),从外部注入由 Eg 和(he) Rs 构成的(de)测量用恒流源信(xin)号,改变其频(pin)率,测量响应的电压 v。在 v 中(zhong),除了(le)由于输出阻抗 Z 引起(qi)的电(dian)压降落 iZ 之外,还重叠着(zhe)直(zhi)流分量 V。但(dan)是,FRA 会去除这个(ge)直流分量 V,使(shi)其不(bu)影响(xiang)测量结果。另外,在一(yi)般情况下 Z RL,所以可以忽略复负荷电阻对于测量结果的影(ying)响。

  使用注入电阻 Rs 的目的,除了(le)产生恒流(liu)源的注入信号(hao)之外,还在于抑(yi)制(zhi)大的直(zhi)流电流逆(ni)向注(zhu)入信号(hao)源 Eg。Rs 的电阻值,要取为(wei)能够(gou)使(shi)逆向注入电流(liu)V/Rs 为(wei)数十(shi)毫(hao)安以下(xia)。对(dui)于输出电压约为(wei) 48V 以下(xia)的开关电源,1kΩ左右为(wei)合适的值。

       电流(liu)检测电阻(zu) Rsh 的(de)阻(zu)值越大,电流(liu)→电压的(de)变化系数就越大(da),从而(er)对于测量就越有利。一般 1Ω左(zuo)右(you)的值较为(wei)合适。


3. 用于测(ce)量(liang)开关电(dian)源输出阻抗的(de)测(ce)量(liang)仪器


  如前项所(suo)述,在开关电源(yuan)的输出端子上注入测量电流 i,并测量由此(ci)产生的电压降落 v,然后用 v/i 来得(de)输出阻抗(kang)。一般情况下,开关(guan)电源的(de)输出阻抗(kang)非常小(xiao)(例如,0.1Ω以下(xia)),用于测量(liang)的(de)信号(hao)注入电流(liu)(约为数(shu) mA)所产生的电压降落 v 也在 1mV 以下(xia)。但是(shi),因(yin)为(wei)开关电源的直流(liu)输出电压(ya) V 总(zong)是处(chu)于输出状态,所以(yi)实际(ji)测量的 v 上(shang)总是重叠(die)着直流电压 V。对于输出电压为 24V 的(de)开关电源,(直流(liu) 24V+ 电压降落分量 1mV 以下(xia))就作为 v 被测量出来(lai)了(le)。而(er)为了(le)求出输出(chu)阻抗值(zhi),需要的仅仅是 v 中的电压降落分量。换言之,必(bi)须要用很(hen)高的精(jing)度(du)测量出重叠于很(hen)大的直流信号上的(de)微(wei)小的(de)(一(yi)万分之一(yi)以下)交流信(xin)号。另外,由于开关噪声所(suo)造成的精度下(xia)降(jiang)也是(shi)一个问题(ti)。所(suo)以,为了(le)用很(hen)高的精度来(lai)测(ce)量开关电(dian)源的输出阻抗,就必须使用(yong)满足以下条件的测量(liang)仪器(qi)。

① 因为(wei)需要同时测量i,v,所以需要有2个(ge)输入通道,能由此测量 v/i(阻抗(kang))。

② 电流检测的(de)输入通道必(bi)须是悬浮式(shi)的(de)。

③ 因为需要高精度地测量(liang)重叠于很(hen)大的(de)直流电压上的微小的交流分量,所(suo)以需要(yao)具有去除直(zhi)流的能力。如(ru)果用一般的交流耦合器,要进行数 Hz 以下的测量实际上是不可能的。

④ 因为混入(ru)了相对较(jiao)大的(de)开关(guan)噪声,所以需(xu)要有较(jiao)高的噪声去除能力。


4. 测量举例


  本(ben)例介(jie)绍(shao)采(cai)用频(pin)率特性分(fen)析(xi)仪(FRA),来测量普(pu)通市售开关电源的输出阻抗的实例。

       图 2-3 中,在 50Hz 附近输出阻抗有(you)所上(shang)升,由于钱(qian)箱所(suo)说明(ming)的(de)环(huan)路增(zeng)益的(de)减(jian)小,输出阻抗也会上升。而在 50Hz 以上时阻(zu)抗再度减(jian)小,可(ke)认为是由于用作滤波(bo)的电解电容(rong)器在(zai)发挥作用。在(zai) 100Hz 处约为 0.45Ω,所以(yi)可以(yi)推测现正在(zai)使用约为 3,500μF容量的(de)电解(jie)电容器。

       图 2-4 中,因为在达到(dao)较高的(de)频(pin)率时(shi)还(hai)能保持较(jiao)低(di)的(de)输出阻抗,阻抗的(de)上升也比较(jiao)少,所以可(ke)认为是(shi)适用(yong)于高(gao)速负载(zai)的开关电(dian)源。


三、测量组(zu)成(cheng)开(kai)关电源的(de)零部(bu)件(jian)的(de)传输(shu)特性



  决定开关(guan)电源稳定程度的(de)环路增益,可(ke)认为是由(you)包含在环路中(zhong)的各个零部件(jian)的传输特性串联而成的。通过掌握各个零部(bu)件的传输特性,就可以比较容易地预测(ce)由于零部件的(de)特性离散和品种差异(yi)所引(yin)起的(de)环路增益变化。

  这里,介(jie)绍关(guan)于在开(kai)关(guan)电源的二次侧(ce)中具代表性的有源零部件即并联稳压器(qi)和(he)承(cheng)担(dan)二次侧(ce)向一次侧(ce)起反馈(kui)作用(yong)的光电耦合器,以及这(zhei)两者组合在一起的回路,还有作(zuo)为无源零部(bu)件的(de)用于输出的(de) LC 滤波(bo)器的(de)传递特性的(de)测(ce)量方法。


1. 并(bing)联稳压器(qi)


      在并(bing)联稳(wen)压(ya)器的使用(yong)方法中,有将其(qi)作(zuo)为电压(ya)稳(wen)定元件(jian)和误(wu)差放(fang)大器(qi)等(deng)情(qing)况。电压稳定元件(jian)的传输(shu)特性,可以用对于输入电压的变化所引起的输出电压(电极电(dian)压(ya))的变化作(zuo)为频率特性来表示。作(zuo)为误差放大器的(de)传输特性,可(ke)以用(yong)对(dui)于电(dian)(dian)压的(de)变化所引起的(de)阴极电(dian)(dian)流的变化作为频率特性来表示。无论在哪一种情况下,因(yin)为(wei)在高频(pin)区域中运(yun)行时(shi)其功(gong)能都会丧(sang)失(shi),所以确(que)认在所需的频带中(zhong)能否充分(fen)正常地运(yun)行,就变得尤为重要。


1.1 在作为电压稳定元件时(shi)的测量


测量(liang)方(fang)法

       测量时的回路例如图 3-1 所示。使用并联稳(wen)压器(qi),可将其(qi)稳定的直(zhi)流电压从 FRA 进行供给,故不需要(yao)其(qi)他的直(zhi)流电(dian)源(yuan)。由并联稳(wen)压(ya)器供应(ying)的稳(wen)定的电(dian)压(ya)是(shi)对于负荷供给 5V,3mA 的设定。因为 FRA 对直流不具有感应度,所以(yi)即(ji)使是重叠在直(zhi)流上面的交流信号,也(ye)能(neng)以最佳的感应度(du)只对其交流信号振幅来(lai)进(jin)行测量。


测量举(ju)例

  测量(liang)结(jie)果如(ru)图 3-2 所示,表示在(zai)低频区域的传输特性约为 -60dB、电压变(bian)动抑制在 1/1000。可以看到在达到 10kHz 以(yi)上(shang)的高频(pin)区(qu)域(yu)时特(te)性逐渐恶化,电(dian)压稳定的功(gong)能逐渐丧失。


1.2 在作(zuo)为误差放大器时的测量(liang)


测(ce)量方法(fa)

  测(ce)量时的回路例如图 3-3 所示,在使用并联稳压(ya)器进行误差(cha)检测(ce)时的直流电压(ya),可以从 FRA 提供(gong),所以(yi)不需要另外(wai)的(de)直流(liu)电(dian)源(yuan)。因为并联稳(wen)压器的(de)响应是(shi)电(dian)流形式的,所(suo)以(yi)通过采(cai)用较(jiao)小的电(dian)阻(zu)将其转(zhuan)换成(cheng)为电压而(er)加以检测。FRA 的(de)输入和输出端子相互(hu)绝(jue)缘,而(er)且(qie)与(yu)机壳之(zhi)间(jian)也绝缘,所以分别(bie)能与(yu)任意的点位连(lian)接,进(jin)行测量。此外,因为对于(yu)直流(liu)不(bu)具有感应度,所以即(ji)使是重叠在直流上面的交流信号,也(ye)能(neng)以最佳的感应度只对(dui)其交(jiao)流信号振(zhen)幅来进行测(ce)量(liang)。


2. 光电耦合(he)器(qi)


       光(guang)电(dian)耦合(he)器的传输(shu)特性,可以用光(guang)晶体管的输(shu)出(chu)电(dian)流对于驱(qu)动光二极管的(de)电流的(de)比值的(de)频率特性来表示(shi)。


测量方(fang)法

       测量时的回路(lu)如图 3-5 所示,光(guang)电耦合器实(shi)在输出电流(liu)不饱和的区域(线(xian)性工作区域)中使(shi)用并进(jin)行测量的(de)。驱动光电耦合器的(de)电流能(neng)从 FRA 供给(ji),所以(yi)只需要在晶体管一侧使用直流电(dian)源。对于光(guang)电(dian)耦合器的输入和(he)输出(chu)电流,两者都采用电流限制电阻将电流转(zhuan)换成为电压而被检测出来,再用 FRA 的 Weighing Factor(权重因数(shu))功能转换成为电(dian)流值。FRA 的(de)输(shu)入和输(shu)出端子相互绝缘(yuan),而且与机壳之间(jian)也绝缘(yuan),所以分(fen)别能(neng)与任意(yi)的电位连接,进行测量。此外(wai),因为对于直流不具有感应(ying)度 ,所(suo)以即使是重叠(die)在直流上面的交流(liu)信号,也能以最佳(jia)的感应度对(dui)其(qi)交流(liu)信号振幅进行(xing)测量(liang)。


测量举例

  测(ce)量结果如图 3-6 所示,在低(di)频区(qu)域的传(chuan)输特性约为(wei)(wei) 11dB,也(ye)即约为(wei)(wei) 350%。在达到 10kHz 以(yi)上的高频区域时(shi),传(chuan)输特性逐(zhu)渐(jian)恶化(hua),信号传(chuan)达(da)能力(li)也逐(zhu)渐下(xia)降(jiang)。


3. 由并联稳压器构成的光电耦合器驱动回路


       这是一个将并(bing)联(lian)稳压器作为误差放大器使用以驱(qu)动光电耦合器的回路,测量其传输特性的例子。传输特性可以用相对于电(dian)压变(bian)动分量的(de)光电(dian)耦合(he)器的(de)输出(chu)电压(射极跟随器)来表(biao)示。


测量方法

  测量时的回路例如图(tu) 3-7 所示,驱(qu)动并联(lian)稳定器(qi)和(he)光电(dian)耦合器(qi)的电(dian)流可(ke)以由(you) FRA 提供,所以只需要在晶体管一(yi)侧使用直流电源。光电耦合器时(shi)以(yi)射极(ji)跟随器的(de)方式运(yun)行的(de),能够检测其发射极(ji)的(de)电(dian)压(ya)。FRA 的信号输入和输出端子相互绝缘,而且与机壳之(zhi)间也绝缘,所以分别能与任意的电(dian)位连接,进(jin)行测量。此(ci)外,因为对于直流不具有(you)感应度,所以即使是重叠在直流(liu)上面的交流(liu)信号,也能以最佳的感应度对其交流信号振幅(fu)进(jin)行测(ce)量。


测量(liang)举(ju)例

  测量结(jie)果如图 3-8 所(suo)示,在低频区域(yu)具有大约(yue)55dB 的增益(yi)。在达到 5kHz 以上的高频区域时,其性能逐渐(jian)恶化,作(zuo)为(wei)误(wu)差(cha)放(fang)大器的信号传输能力逐渐(jian)下降。对于每 1kHz 频率,相位大(da)约延迟 9 度左右(you),所(suo)以需要进(jin)行(xing)适当的相位补偿(chang)。


4. LC滤波器


  LC 滤(lv)波器时作为用于去除输出(chu)中的(de)脉动成分的(de)低通(tong)滤波(bo)器而运(yun)作的。同(tong)时,作为在(zai)截止(zhi)频率上的LC 谐振电(dian)路也发挥作用(yong),所以(yi)与 RC 滤波器不同,在截止(zhi)频率(谐振(zhen)点)附近产生增益。谐振(zhen)的强度与 L、C 各零部件实际(ji)的阻抗(kang)有关,但是也随着(zhe)负荷的轻重不同(tong)而(er)有变化。传输特性(xing)可以(yi)用输出电(dian)压(ya)对于输入(ru)电(dian)压的比值来表示。


测量方法(fa)

  测(ce)量(liang)回路例如(ru)图 3-9 所(suo)示。如(ru)果改变负荷电阻的大(da)小,其相应也(ye)随着(zhe)变(bian)化(hua)。

测量(liang)举例(li)

  测量(liang)结果如图 3-10 图 3-11 所(suo)示。在低频(pin)区域(yu)的(de)响应与负(fu)荷无关,为一个(ge)确(que)定的(de)值(zhi)。但是,在截止频率(lv)(谐(xie)振频率(lv))处所(suo)产(chan)生的峰(feng)值(zhi)大小(xiao)则各(ge)有不(bu)同(tong)。这个峰(feng)值并不只限于在(zai)负载较小的时候产生。如果电容和电感(gan)的(de) ESR(等效串联电阻)越小(xiao),也就(jiu)是一般来说采用高频特性优越的零部件,其峰值(zhi)也就越大。如果为了抑制(zhi)谐振峰值而采用 ESR(等(deng)效串联电(dian)阻)较(jiao)大的零部件,则会(hui)导致(zhi)输出阻抗(kang)增(zeng)大,使电压稳(wen)定性能劣化,所以(yi)不是正(zheng)确的对策。


四、用频率(lv)特性(xing)分(fen)析仪测(ce)量零(ling)部件的阻抗(kang)


1. 电(dian)解电(dian)容器


  为了去除开关噪声而使用(yong)的电解电容器,对于(yu)开关电源的(de)输出电压的(de)质量优劣起着决定性的(de)作(zuo)用,称之为(wei)关键元件也决非言过其实(shi)。除了抑制噪声的目的之外,还具(ju)有降低输(shu)出阻抗(kang)的效果。即使(shi)是具(ju)有相同的(de)静电(dian)容量和耐电(dian)压的(de)电(dian)容器,由(you)于其品种不同而(er)会导致在(zai)高频(pin)下(xia)的阻抗(kang)有(you)极大的差异。在(zai)高频(pin)条件(jian)下(xia),电(dian)解电(dian)容器的阻抗一般有 ESR(等(deng)效串联(lian)电(dian)阻)来表示。而(er)实际上,由于频率的变(bian)化 ESR 保持(chi)为常数不变(bian)的情况几乎没有,而且(qie)当温度(du)改变时 ESR 也会有很大(da)的改变。如果不经慎重(zhong)考(kao)虑,那么(me)即使(shi)采(cai)用了大(da)容量(liang)的电容器,在高频(pin)条件(jian)下其阻抗也会(hui)由于(yu)受到ESR 的制(zhi)约,而使经典(dian)容量的大小未必与开关(guan)噪声(sheng)去除能力相一致。即使增大(da)了电容(rong)量,如果开关噪声并未(wei)减(jian)弱,那么就(jiu)可(ke)能是由(you)于(yu)所(suo)用的电(dian)解(jie)电(dian)容器在高频的阻抗要比预想(期待)的更大。

  此外,电解电容器的寿命主要(yao)是由(you)温度来决定的(de)。当有较大(da)的(de)脉(mai)动电流通过 ESR 较大(da)的(de)电容器时,所产生的(de)焦耳热(re)量(liang)就会使(shi)电容器的(de)使(shi)用寿命(ming)显著(zhu)缩短。即使为了确保开关电源本(ben)身的使用寿命和可(ke)靠性(xing),掌握电(dian)(dian)解电(dian)(dian)容(rong)器的阻抗特(te)性(xing)(包括 ESR)也是非常(chang)重(zhong)要(yao)的事项。

  这里(li),采用与前(qian)面所述的测量开关电(dian)源的输出阻(zu)抗相同的方式(shi),使用(yong)频率特性分析仪(FRA),介绍在频域范围内测量电解电容器的阻抗特性的方法。



测量方法

  在测(ce)量(liang)(liang)电(dian)解电(dian)容器的阻(zu)抗时,让用于测(ce)量(liang)(liang)的信号电(dian)流通过被测(ce)量(liang)的(de)电(dian)容(rong)器(qi),并测(ce)量(liang)由电(dian)解电(dian)容(rong)器(qi)的(de)内部阻抗所引起的电压降落。也可以在电容器上施加任意的偏置电压在进行(xing)测(ce)量,由此可(ke)以观察到(dao)由于偏置电压所引起(qi)静电容量(liang)和(he) ESR 的变化。

  测量框(kuang)图和(he)接(jie)线图分(fen)别如图(tu) 4-1 图 4-2 所示。

  在框图中(zhong),用(yong)于注入(ru)的(de)电(dian)阻 Rs 可用(yong)电(dian)流检测电(dian)阻(zu) Rsh 来代替。为(wei)了在(zai)被测量的(de)电(dian)解电(dian)容器上施(shi)加偏置电压,将(jiang)直流电源 Eb 与注入信号 Eg 用串联(lian)方(fang)式插入。FRA 的振(zhen)荡器(qi)中,有内置的用于(yu)测量交流(liu)信(xin)号源和内置的直流偏(pian)置电压,能够输出(chu)合计最大10Vpeak 的(de)电压(ya)。如果 10Vpeak 仍然不(bu)够(gou),那(nei)么可如图 4-2 所示使用(yong)功(gong)率放大器(qi)。如果采用(yong)本公司(si)的(de)HSA 系列(lie)功率(lv)放(fang)大器,那么最大可达 300Vp-p 的(de)放(fang)大。用电流检测电阻 Rsh,将流过电容器的电流 i 转换成(cheng)为(wei)电压,作为(wei)电压信号输入到 FRA。在电容器两端所产生的电压 v,也用(yong) FRA 来测量,由(you)此求得 v/i,也就是阻抗(kang)。在 v 中,除了(le)由测量(liang)信号 i 所产生的(de)电压(ya)降落分量之外(wai),还添加由(you)偏置电压(ya) Eb,但是(shi)在FRA 中会在内部将直流分量(liang)自动去除。

  电(dian)(dian)流检测(ce)电(dian)(dian)阻 Rsh 的阻值(zhi)越(yue)大,电(dian)(dian)流→电(dian)(dian)压的变换系(xi)数(shu)就越大,从而对(dui)于测量就越有利(li)。但是,一般1Ω左(zuo)右的值较为合适。


测量举例

       这里介绍使用(yong)频率特性分析仪(yi)(FRA)对各(ge)种(zhong)电解电(dian)容器进行的测量(liang)例子(图 4-3图 4-4)。相位特性也可同时测量,但是(shi)这里仅(jin)讨论阻(zu)抗的绝对(dui)值 |Z|的特性。

       图 4-3 是静电(dian)容量为 100μF 的(de) 3 种铝电(dian)解电(dian)容器以及静电(dian)容量为 22μF 的有机半导(dao)体固定电(dian)解电容(rong)(rong)器的阻抗特性(xing)。从图中可以看到,即使容(rong)(rong)量(liang)同样为 100μF,由于品种(zhong)不同,在(zai)高频(pin)时其阻(zu)抗的差别可达 5 倍左右。另(ling)外,在 100kHz 以上的频率(lv)范围,经典容量(liang)较(jiao)小的有机(ji)半(ban)导体固体电(dian)解电(dian)容器的阻抗(kang)相对的要低。


       图 4-4 是静电容量为 4,700μF 的铝电解电容器(qi)的测量结果。从图中可以看到,因为在(zai)大(da)约200kHz 处阻抗开始上升(sheng),所以在高频范围内有(you)必要不(bu)是(shi)(shi)将其作为电容器(qi),而是(shi)(shi)将其作为线(xian)圈(quan)来对待(dai),不(bu)能(neng)(neng)够(gou)对它的噪声抑制能(neng)(neng)力再寄予希(xi)望。与试料连接上使用 LCR 表的测(ce)试载具适(shi)配器(qi),或(huo)电力增幅器(qi)的连接阻(zu)抗适配器,可以使连(lian)线简单化。










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