6.1 关于测量电源环路增益的注意事项1 - 环路增益概述

大家好

我是德州仪器的系统应用工程师

今天要跟大家探讨的是

我们在环路测试当中的一些相关问题

那么我们今天主要会涉及到四个方面

那么第一个呢

会跟大家讲一下

环路增益的一些概述的情况

然后第二个呢

就跟大家介绍一下

环路增益的常用的一些测试方法

第三个我们会提到的是

我们环路测试当中的一些

比如说测试设置

以及我们的外部电路是如何连接的

这里面包括我们环路测试仪的设置

包括我们受测电路的连接方式

以及最终是怎么样来做一个准确的连接

来实现一个较高的测试精度

最后呢我们会做一个总结

那我们先看第一个问题

就是环路测试的一个概述

我们在这里会解决两个问题

第一个就是说什么是环路增益

第二个是

我们为什么要测试一个环路的增益

首先我们看第一个问题

什么是环路增益

环路增益简单来讲

就是我们整个反馈系统上的

所有环节的乘积

那么我们看左边

这是一个简化的电路系统的框图

G(s) 的话我们可以认为这是一个

功率级的一个传递函数

那么 H(s) 可以认为这是一个

反馈级的一个传递函数

那么对于我们正常的反馈系统来说

都是有一个功率级的传递函数

跟一个反馈级的传递函数来组成的

所以我们整个系统的环路增益呢

就可以认为是功率级的传递函数

乘以反馈级的一个传递函数

那么我们如果再细化一点

看右边这个具体电路的一个框图

那么比如说这里

是举了一个 BUCK 电路

作为一个 Power Stage 的一个例子

那么我们可以看到 Power Stage

它是由 BUCK 电路

包括 LC 滤波器来组成的

那么它的输出电压

会经过一个电阻分压网络

采样到我们一个误差运放的负输入端

跟我们的参考做一个比较

然后经过我们的误差运放补偿之后

输出一个补偿后的误差信号

然后呢这个信号

会跟我们的 PWM 的比较器来形成比较

最终形成一个占空比

来控制我们的 Power Stage

所以说从整个系统来讲

我们这上面呢其实有四个模块

第一个模块呢就是 Power Stage

那么第二个模块呢

就是我们这个电阻分压网络的一个增益

那么第三个模块呢

就是我们误差运放的一个增益

第四个模块呢

就是我们 PWM 比较器的一个增益

那么最终我们整个系统的

环路增益的话

就是这四个模块他们的增益乘积

前面我们理解了环路增益的定义

那么第二个问题就是说

我们为什么要测量一个环路的增益

首先我们要知道

环路的增益

它能够很好地反映出

我们整个系统的稳定性的一个问题

我们这里有个例子就是说

这里是测量出了一个 BUCK 电路的

一个环路增益的响应图

它包括它的一个增益

也包括它的一个相位

从这个波特图里面就可以看到

我们的增益过零点呢

大概就是在截止频率是 22.4k左右

在截止频率点

我们的相位裕量只有 15 度

按照我们通常的一个闭环系统的

增益判断条件来说

这个系统是很有可能会发生不稳定的

所以我们针对这个系统呢

做了一个负载的一个跳变图

从测试的结果来看

输出电压呢

在负载动态跳变的时候

发生了一个多次振荡的现象

那么很显然就是

系统可能是已经趋于一个不稳定的边界

所以通过测试出来的波特图

能够很好地帮助我们

来理解这个系统

是否会处于一个不稳定的情况

那么我们测量一个环路的

第二个目的呢就是说

测量出来的环路增益

能够很好地帮助我们来理解

我们的动态响应的特性

我们测量环路增益的第二个目的

就是能够通过我们测量出来的

一个波特图的结果

来预知我们整个系统的

一个动态响应的特性图

甚至呢我们可以根据测量出的结果

来改进我们系统的一个动态响应的特性

那么我们知道一个二阶系统

那么当它做一个负载跳变的时候

它会发生一个电压过冲和跌落

那么这个电压过冲和跌落

它的一个跌落的幅度

过冲的幅度以及跌落的持续时间

都是跟整个闭环系统截止频率是有关系的

首先输出电压的过冲和跌落

达到最大值的时间

它是会等于我们四倍截至频率的倒数

然后在这个最大电压的这个点的电压幅度

它是等于我们这个时候电流跳变的幅度

然后除以八倍截止频率

然后乘以我们输出电容的一个容量

所以通过这两个公式就可以知道

通过改进我们环路增益的截止频率的特性

能够有效的帮助我们整个系统

来改善它的一个动态响应的一个特性图

那么截至频率越高

就意味着我们的动态响应速度会越快

那么跌落会越小

大家好

我是德州仪器的系统应用工程师

今天要跟大家探讨的是

我们在环路测试当中的一些相关问题

那么我们今天主要会涉及到四个方面

那么第一个呢

会跟大家讲一下

环路增益的一些概述的情况

然后第二个呢

就跟大家介绍一下

环路增益的常用的一些测试方法

第三个我们会提到的是

我们环路测试当中的一些

比如说测试设置

以及我们的外部电路是如何连接的

这里面包括我们环路测试仪的设置

包括我们受测电路的连接方式

以及最终是怎么样来做一个准确的连接

来实现一个较高的测试精度

最后呢我们会做一个总结

那我们先看第一个问题

就是环路测试的一个概述

我们在这里会解决两个问题

第一个就是说什么是环路增益

第二个是

我们为什么要测试一个环路的增益

首先我们看第一个问题

什么是环路增益

环路增益简单来讲

就是我们整个反馈系统上的

所有环节的乘积

那么我们看左边

这是一个简化的电路系统的框图

G(s) 的话我们可以认为这是一个

功率级的一个传递函数

那么 H(s) 可以认为这是一个

反馈级的一个传递函数

那么对于我们正常的反馈系统来说

都是有一个功率级的传递函数

跟一个反馈级的传递函数来组成的

所以我们整个系统的环路增益呢

就可以认为是功率级的传递函数

乘以反馈级的一个传递函数

那么我们如果再细化一点

看右边这个具体电路的一个框图

那么比如说这里

是举了一个 BUCK 电路

作为一个 Power Stage 的一个例子

那么我们可以看到 Power Stage

它是由 BUCK 电路

包括 LC 滤波器来组成的

那么它的输出电压

会经过一个电阻分压网络

采样到我们一个误差运放的负输入端

跟我们的参考做一个比较

然后经过我们的误差运放补偿之后

输出一个补偿后的误差信号

然后呢这个信号

会跟我们的 PWM 的比较器来形成比较

最终形成一个占空比

来控制我们的 Power Stage

所以说从整个系统来讲

我们这上面呢其实有四个模块

第一个模块呢就是 Power Stage

那么第二个模块呢

就是我们这个电阻分压网络的一个增益

那么第三个模块呢

就是我们误差运放的一个增益

第四个模块呢

就是我们 PWM 比较器的一个增益

那么最终我们整个系统的

环路增益的话

就是这四个模块他们的增益乘积

前面我们理解了环路增益的定义

那么第二个问题就是说

我们为什么要测量一个环路的增益

首先我们要知道

环路的增益

它能够很好地反映出

我们整个系统的稳定性的一个问题

我们这里有个例子就是说

这里是测量出了一个 BUCK 电路的

一个环路增益的响应图

它包括它的一个增益

也包括它的一个相位

从这个波特图里面就可以看到

我们的增益过零点呢

大概就是在截止频率是 22.4k左右

在截止频率点

我们的相位裕量只有 15 度

按照我们通常的一个闭环系统的

增益判断条件来说

这个系统是很有可能会发生不稳定的

所以我们针对这个系统呢

做了一个负载的一个跳变图

从测试的结果来看

输出电压呢

在负载动态跳变的时候

发生了一个多次振荡的现象

那么很显然就是

系统可能是已经趋于一个不稳定的边界

所以通过测试出来的波特图

能够很好地帮助我们

来理解这个系统

是否会处于一个不稳定的情况

那么我们测量一个环路的

第二个目的呢就是说

测量出来的环路增益

能够很好地帮助我们来理解

我们的动态响应的特性

我们测量环路增益的第二个目的

就是能够通过我们测量出来的

一个波特图的结果

来预知我们整个系统的

一个动态响应的特性图

甚至呢我们可以根据测量出的结果

来改进我们系统的一个动态响应的特性

那么我们知道一个二阶系统

那么当它做一个负载跳变的时候

它会发生一个电压过冲和跌落

那么这个电压过冲和跌落

它的一个跌落的幅度

过冲的幅度以及跌落的持续时间

都是跟整个闭环系统截止频率是有关系的

首先输出电压的过冲和跌落

达到最大值的时间

它是会等于我们四倍截至频率的倒数

然后在这个最大电压的这个点的电压幅度

它是等于我们这个时候电流跳变的幅度

然后除以八倍截止频率

然后乘以我们输出电容的一个容量

所以通过这两个公式就可以知道

通过改进我们环路增益的截止频率的特性

能够有效的帮助我们整个系统

来改善它的一个动态响应的一个特性图

那么截至频率越高

就意味着我们的动态响应速度会越快

那么跌落会越小