基于FRA-開(kāi)關(guān)電源的測量

隨著(zhù)電子，自控，航天，通訊，醫療器械等技術(shù)不斷向深度和廣度的發(fā)展，勢必要求為其供電的電源要有更高的穩定性，即不僅要有好的線(xiàn)性調節率、負載調節率還要有快速的動(dòng)態(tài)負載響應。而這些因素都和控制環(huán)路有關(guān)，控制環(huán)路一般工作在負反饋狀態(tài)，稱(chēng)之為電壓負反饋。如果變換器中沒(méi)有用到反饋控制環(huán)路（即下圖1中H部分），其傳遞函數一般為 其中G為輸入濾波、功率變換、整流濾波部分等因數的乘積（因為其為級聯(lián)的形式，所以本文中以總的乘積因子G來(lái)表示），可以看出輸出隨著(zhù)輸入的變化而成線(xiàn)性的變化，但是由于整流、濾波網(wǎng)絡(luò )在整個(gè)時(shí)域的非線(xiàn)性，實(shí)際上這種變化應該是近似于線(xiàn)性，所以當輸入電壓改變的時(shí)候并不能很好的起到穩壓的作用；如果反饋環(huán)路設計的不好，對于負載的瞬態(tài)改變，環(huán)路不能做出及時(shí)恰當的調整，那么輸出電壓瞬間會(huì )偏高或者偏低，甚至有可能造成電源系統的振蕩，對下一級構成損壞。此時(shí)能夠對環(huán)路測量就顯得很重要了，那么環(huán)路部分又是怎樣影響整個(gè)回路的呢？參考金升陽(yáng)公司寬壓或者AC-DC系列產(chǎn)品，此時(shí)下圖表示的是反饋環(huán)路控制部分中的運放的環(huán)增益模型，其傳遞函數為

其中G：開(kāi)環(huán)增益，H：反饋系數，GH：環(huán)增益（可以通過(guò)圖1中推導看出）

一、環(huán)增益穩定的標準：
由傳遞函數 有，因為放大器的開(kāi)環(huán)增益G是頻率的函數，會(huì )隨著(zhù)頻率的增加而減小，同時(shí)也和放大器的相位有關(guān)，當GH= -1，則其傳遞函數的值為∞，即增益是無(wú)窮大的，可以認為任意小的輸入擾動(dòng)都能引起輸出的無(wú)窮大，如果這種輸出無(wú)窮大的信號再反饋到功率變換環(huán)節，勢必會(huì )造成最后輸出的振蕩，整個(gè)系統因而不再穩壓。所以說(shuō)可以通過(guò)分析GH的增益和相位來(lái)判斷系統的穩定性。
又因為當GH= -1時(shí)是振蕩的，所以有相移∠GH是180°（因為負反饋本身就有180°的相移），回路增益|GH|=1（0dB）。
所以要使運放穩定需要滿(mǎn)足以下條件：1.相位條件就是要其相移要小于180°，即要有45度以上的裕量；2.還要滿(mǎn)足增益條件即要有12dB以上的裕量；3.穿越頻率按20dB/Dec閉合。相關(guān)解釋下文給出。
二、Bode圖的基礎：
由上文知我們可以通過(guò)環(huán)增益GH的頻率特性來(lái)判斷系統的穩定性，而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的頻率特性可以用Bode圖(見(jiàn)圖2)來(lái)表示，并且系統的穩定性可以通過(guò)Bode圖中的相位裕量(phase margin) ,增益裕量(gain margin)，穿越頻率(crossover frequency)來(lái)衡量。其中
相位裕量(phase margin)是指：在頻率-相位曲線(xiàn)上，當環(huán)路增益為單位增益時(shí)實(shí)際相位延遲與360deg 間的差值，以度(deg)為單位表示，見(jiàn)圖2。
增益裕量(gain margin)是指: 在頻率-增益曲線(xiàn)上，當總相位延遲為360deg 時(shí)，增益低于單位增益的量，以分貝(dB)為單位來(lái)表示，見(jiàn)圖

穿越頻率(crossover frequency)也有資料稱(chēng)之為頻帶寬度等是指：在頻率-增益曲線(xiàn)上，增益為零時(shí)所對應的頻率值，見(jiàn)圖2。
圖 2 Bode plot Gain margin Phase margin
相位裕量(phase margin)的作用,是確保在一定的條件下（包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負載變化、溫升等）系統都能夠穩定,使用在標稱(chēng)輸入額定負載室溫下,要有45度的裕量；如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大,相位裕量不應小于30度。
增益裕量(gain margin)為了不接近不穩定點(diǎn)，一般認為12dB以上是必要的。
穿越頻率(crossover frequency)頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應的快慢。一般認為帶寬越寬，其對負載動(dòng)態(tài)響應的抑制能力就越好，過(guò)沖、欠沖越小，恢復時(shí)間也就越快，系統從而可以更穩定。但是由于受到右半平面零點(diǎn)的影響，以及原材料、運放的帶寬不可能無(wú)窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無(wú)限制提高，一般取開(kāi)關(guān)頻率的1/20~1/6。