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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 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 1.0PFC 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 IC3． 如果需要，为 PFC 控制器 IC 提供一个辅助电 源，典型为+18V4． 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，10kVA～0.5kVA 为中功率，0.5kVA～25VA 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变电源变压器的。

按工作频率高低，可分 为几个档次：10kHz～50kHz、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。