回路穩定性測量逾越PC仿真
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工程師設計了在電源、電動(dòng)機驅動(dòng)器或幾乎任何功率電子產(chǎn)品內的一個(gè)控制回路以后，必須證實(shí)回路穩定性已達到規定的技術(shù)指標。與在回路上加瞬時(shí)負載之后進(jìn)行紋波、噪聲、電壓偏移或恢復時(shí)間測量不同，你無(wú)法用傳統的測試儀器，如電壓表或示波器，有效地測試回路穩定性。
工程師要使用多種獨立的儀器或昂貴的專(zhuān)用設備來(lái)進(jìn)行漫長(cháng)而又復雜的測試，因此他們常常認為電路仿真能真實(shí)地反映制成品的特性。然而，盡管一種表面穩定的設計是以軟件仿真為基礎的，但工程師們卻會(huì )發(fā)現，印制電路板寄生電抗、生產(chǎn)中的元器件公差以及正常使用時(shí)的負載條件變化都會(huì )使制成品達不到預期的性能、工作不穩定甚至出故障。
軟件仿真雖然是一種有用的工程工具，但它僅僅根據編程員輸入程序中的信息，對系統響應進(jìn)行近似。因此，用軟件仿真代替實(shí)際測量是不可靠的。如今，現代儀器技術(shù)為工程師提供的測試儀器能對這一關(guān)鍵設計特性進(jìn)行直接測量，而且經(jīng)濟實(shí)惠。眼下已有一系列經(jīng)濟實(shí)用的技術(shù)可用來(lái)簡(jiǎn)化環(huán)路穩定性測試（見(jiàn)附文“控制理論是起步之源”）。
從測試點(diǎn)開(kāi)始
在閉路環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際測試的第一步是注入一個(gè)干擾信號。為達到這一目的，就要在環(huán)路中插入一個(gè) 10 Ω～ 100Ω 的電阻器，而所選的插入點(diǎn)要使這個(gè)小電阻產(chǎn)生的影響可以忽略不計，如與反饋電阻串聯(lián)（圖 1）。如果你正在設計一塊新印制電路板，最好把這個(gè)電阻器永久性地加到電路板的布局里，這樣就可以在任何時(shí)侯進(jìn)行這些測試，而不會(huì )打亂電路板布線(xiàn)。
為了有效地測量注入信號的相對增益和相位，測量?jì)x器必須抑制除注入頻率以外的其它頻率成份。實(shí)現這種抑制的最好辦法，就是在你注入每一個(gè)選定的頻率時(shí)，對在檢測電阻器高端（即第1通道）和在檢測電阻器低端（即第2通道）測得的數據進(jìn)行一次 DFT（離散傅立葉變換）（圖 3）。只要在頻率掃描期間直接將經(jīng)過(guò) DFT 處理的 第 1 和 第2 通道的測量結果繪制成圖像，你就不必用 PC 進(jìn)行處理就可以得到一個(gè)完整的頻響波德圖。例如，盡管圖 4 所示系統有好的增益裕度和相角裕度，但卻具有很低的增益和交叉頻率，從而在負載快速變化時(shí)調整率不佳，穩定性降低。與之相反，在滿(mǎn)負載時(shí)，雖然增益裕度比輕負載時(shí)小，但仍然足夠大，因而在很寬的頻率范圍內具有高得多的增益（圖 5）。這一增益使系統即使在負載快速變化時(shí)仍具有出色的調整率和更高的穩定性。
為了確定某一電源有意義的特性，必須在電源預期要工作的負載條件范圍內測量其傳遞函數（圖 4 和圖 5）。然后，一旦確定了在所選負載條件下的傳遞函數，你就要考慮設計修改對整個(gè)傳遞函數內極點(diǎn)元素和零點(diǎn)元素的影響，以實(shí)現最佳的總體性能。
一個(gè)極點(diǎn)元素會(huì )引入每十倍程-20 dB 的衰減和負相移，而零點(diǎn)元素則會(huì )引入每十倍程 20 dB的 衰減和正相移。完整的傳遞函數包括了控制回路內的極點(diǎn)元素和零點(diǎn)元素。幾乎所有系統都會(huì )在較高頻率下出現衰減，因此，傳遞函數中的極點(diǎn)元素通常多于零點(diǎn)元素。
在圖 4 所示的低端負載傳遞函數中，頻率高至增益交叉頻率的衰減是始終如一的，約為每十倍程 20 dB，這表示存在一個(gè)主極點(diǎn)。雖然為了說(shuō)明主題，圖 1 沒(méi)有畫(huà)出電源的完整原理圖，但你要考慮到這一主極點(diǎn)是與控制回路中誤差放大器級的電容相關(guān)的。減少該級內的這一電容值，就會(huì )增加極點(diǎn)頻率，進(jìn)而提高增益，從而改善低頻調整率。與這一修改相關(guān)的傳遞函數變化，會(huì )影響所有負載條件下的增益和相位，所以你必須在整個(gè)負載范圍內反復進(jìn)行測試，以確保增益裕度和相位裕度都保持在目標限度內。
盡管在控制回路設計的早期，PC 仿真是一種有價(jià)值的工具，但設計師只有對已完成的設計進(jìn)行實(shí)際測量，才能真正了解真實(shí)的控制回路特性。如今，現代測量?jì)x器已能提供一種準確而又經(jīng)濟的手段來(lái)應付這一挑戰。
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附文：控制理論是起步之源
控制回路理論闡述了隨時(shí)間變化的系統的行為。為了簡(jiǎn)要復習基礎原理，現在考慮這一理論的最常見(jiàn)實(shí)例之一，即電源內的控制回路（圖 A）。
一臺穩壓電源應為負載提供一個(gè)穩定的輸出電壓，為了實(shí)現這一目的，電源在不斷變化的負載條件下，必須能調節系統特性來(lái)保持所需的輸出電壓。你可以用一個(gè)控制回路來(lái)實(shí)現這種調節。這種控制回路將電源輸出的一部分反饋回去，與一個(gè)已知的基準信號進(jìn)行比較。然后，利用比較產(chǎn)生的誤差信號來(lái)調整電源系統的增益，從而就能保持所需的輸出電壓。
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