電感飽和與開關(guān)電源之間的密切關(guān)系，這篇文章講透了?。ㄏ拢?/h1>
在上篇文章中，我們利用R&S的測試儀器搭建出了一套測試系統(tǒng)，使用不同的電感器測量功率變換器的紋波電流和開關(guān)頻率，通過實驗驗證了各種數(shù)學(xué)算法的可行性。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202303/444734.htm
接下來，我們繼續(xù)實操環(huán)節(jié)，還是利用R&S的測試設(shè)備（示波器、電源、探頭等）搭建出測試系統(tǒng)，分別對負載和線路的瞬態(tài)應(yīng)力、過流保護應(yīng)力進行測試，驗證選擇飽和電感是不是會讓電路出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。
應(yīng)力測試實驗示例
應(yīng)力測試實驗使用了如下圖所示PMLK BOOST板。主要是使用了該電路板的具有峰值電流模式控制的升壓調(diào)節(jié)器這一部分。使用兩個體積分別為82立方毫米的大部分飽和電感器（MSS6122-103）和220立方毫米的微飽和電感器(MSS7341-712)。由此可見，飽和電感器比非飽和電感器小得多。
這兩個元件的所有特性都通過實驗?zāi)Ｐ捅碚?，包括溫度的影響。根?jù)工作溫度，我們得到了所有參數(shù)值。然后，使用與前一個實驗類似的實驗裝置測試了該電路板。
在這種情況下，我們只使用一個電流探頭來測量電感器電流，但可能需要其他電壓探頭檢測輸入電壓、輸出電壓和其他信號。在這種情況下，為了了解調(diào)節(jié)器是否穩(wěn)定運行，利用示波器的FFT功能，可以更容易地在頻域內(nèi)檢測次諧波振蕩。我們將使用這兩個可視化來顯示這個現(xiàn)象。
該穩(wěn)定性條件已應(yīng)用于飽和電感器和非飽和電感器。將電感器設(shè)置在某一工作點，使用飽和電感器轉(zhuǎn)換功率可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定運行或周期性二次運行。因此設(shè)置閾值，以便看到不穩(wěn)定現(xiàn)象。
當(dāng)電壓高于12V時，這兩個帶電感器的轉(zhuǎn)換器都是周期性一次穩(wěn)定運行。當(dāng)將穩(wěn)定性條件設(shè)置為12V時，飽和電感器和非飽和電感器都是周期性一次穩(wěn)定運行。而當(dāng)將其設(shè)置為低于12V時，飽和電感器表現(xiàn)為非周期性一次穩(wěn)定運行，非飽和電感器表現(xiàn)為周期性一次穩(wěn)定運行。
應(yīng)力測試仿真原理
為了從實驗上證明這一點，進行了仿真和實驗測試。仿真主要使用如下圖所示PSIM仿真器。利用C-block模塊通過一組C指令可以獲得功率電感器的任何非線性方程。功率電感器作為壓控電流源，受該模塊控制。
下圖仿真結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計在穩(wěn)定條件的極限下使用飽和電感器時，在時域中可以看到，電感器電流波形是周期性一次穩(wěn)定的。在頻域中，可以看到在頻譜中僅在大約500kHz處出現(xiàn)了一個尖峰或峰值，這就是調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率。
當(dāng)電壓降低到穩(wěn)定條件極限之外時，有意迫使系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)，然后出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，但這并不是真正的不穩(wěn)定狀態(tài)。因為缺失輸出電壓的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器繼續(xù)將輸出電壓調(diào)節(jié)至期望水平。不同的是，現(xiàn)在的電感電流不再是周期一次穩(wěn)定，而是周期二次穩(wěn)定。這意味著我們有一個占空比較大的周期和一個占空比較小的周期。最終，在頻域可以看到產(chǎn)生了次諧波振蕩，這是一個問題。從電磁干擾（EMI）的角度看,它產(chǎn)生了更多的電磁干擾。
應(yīng)力測試實驗結(jié)果
通過實驗進行同樣的測試，得到以下結(jié)果。下圖所示是周期一次穩(wěn)定運行的波形。在頻譜中半開關(guān)頻率處，可以看到有一個較小的峰值。這證明了調(diào)節(jié)器處于周期一次穩(wěn)定的邊緣。
當(dāng)降低電壓以超過穩(wěn)定條件時，得到與仿真結(jié)果完全相同的時域波形和頻譜，在調(diào)節(jié)器半開關(guān)頻率處有較大的峰值。
負載瞬態(tài)應(yīng)力測試
如下圖所示，我們進一步進行了負載瞬態(tài)應(yīng)力測試。該瞬態(tài)條件與最壞情況下的瞬態(tài)條件相同。從電感器電流的波形可以看出，當(dāng)輸入電壓=12V,在穩(wěn)定性條件極限內(nèi)，沒有產(chǎn)生次諧波振蕩。因此，設(shè)計考慮了瞬態(tài)條件下電感電流過沖的情況。良好的電源設(shè)計是，當(dāng)選擇元件時必須考慮所有可能的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象且必須考慮最壞的情況。因此，如果所選飽和電感器在最壞情況下（包括負載瞬態(tài)）正確運行，那么就不會出現(xiàn)不穩(wěn)定性，也沒有意想不到的性能。
線路瞬態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果
我們同樣進行了線路瞬態(tài)應(yīng)力測試，得到如下圖所示結(jié)果。電感波形紅圈所示的點為電感器的最大應(yīng)力條件。
線路/負載瞬態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果
下圖表示的是開關(guān)調(diào)節(jié)器在線路瞬態(tài)和負載瞬態(tài)條件下運行的情況?？梢钥吹綀D中沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，也沒有產(chǎn)生次諧波振蕩。
過流保護應(yīng)力測試
在選擇電感器時，它必須在過流保護之前持續(xù)運行。下圖是一個過流測試，綠色表示負載電流減小或增加。在某一點，越過閾值，可以看到在紋波電流的最大幅度處，調(diào)節(jié)器從周期一次穩(wěn)定運行到停止運行過程中沒有出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。
至此，我們圓滿完成了電感飽和對開關(guān)模式電源控制運行的影響的探秘研究。從數(shù)學(xué)方法預(yù)測，到控制技術(shù)下的驗證，最后通過應(yīng)力測試證明：與非（去）飽和電感器相比，飽和電感器具有縮小尺寸、降低重量和開關(guān)損耗的優(yōu)點。毫無疑問，R&S為所有測試實驗搭建的強大測試平臺，是完成這些復(fù)雜任務(wù)的可靠保障。
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
在上篇文章中，我們利用R&S的測試儀器搭建出了一套測試系統(tǒng)，使用不同的電感器測量功率變換器的紋波電流和開關(guān)頻率，通過實驗驗證了各種數(shù)學(xué)算法的可行性。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202303/444734.htm接下來，我們繼續(xù)實操環(huán)節(jié)，還是利用R&S的測試設(shè)備（示波器、電源、探頭等）搭建出測試系統(tǒng)，分別對負載和線路的瞬態(tài)應(yīng)力、過流保護應(yīng)力進行測試，驗證選擇飽和電感是不是會讓電路出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。
應(yīng)力測試實驗示例
應(yīng)力測試實驗使用了如下圖所示PMLK BOOST板。主要是使用了該電路板的具有峰值電流模式控制的升壓調(diào)節(jié)器這一部分。使用兩個體積分別為82立方毫米的大部分飽和電感器（MSS6122-103）和220立方毫米的微飽和電感器(MSS7341-712)。由此可見，飽和電感器比非飽和電感器小得多。
這兩個元件的所有特性都通過實驗?zāi)Ｐ捅碚?，包括溫度的影響。根?jù)工作溫度，我們得到了所有參數(shù)值。然后，使用與前一個實驗類似的實驗裝置測試了該電路板。
在這種情況下，我們只使用一個電流探頭來測量電感器電流，但可能需要其他電壓探頭檢測輸入電壓、輸出電壓和其他信號。在這種情況下，為了了解調(diào)節(jié)器是否穩(wěn)定運行，利用示波器的FFT功能，可以更容易地在頻域內(nèi)檢測次諧波振蕩。我們將使用這兩個可視化來顯示這個現(xiàn)象。
該穩(wěn)定性條件已應(yīng)用于飽和電感器和非飽和電感器。將電感器設(shè)置在某一工作點，使用飽和電感器轉(zhuǎn)換功率可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定運行或周期性二次運行。因此設(shè)置閾值，以便看到不穩(wěn)定現(xiàn)象。
當(dāng)電壓高于12V時，這兩個帶電感器的轉(zhuǎn)換器都是周期性一次穩(wěn)定運行。當(dāng)將穩(wěn)定性條件設(shè)置為12V時，飽和電感器和非飽和電感器都是周期性一次穩(wěn)定運行。而當(dāng)將其設(shè)置為低于12V時，飽和電感器表現(xiàn)為非周期性一次穩(wěn)定運行，非飽和電感器表現(xiàn)為周期性一次穩(wěn)定運行。
應(yīng)力測試仿真原理
為了從實驗上證明這一點，進行了仿真和實驗測試。仿真主要使用如下圖所示PSIM仿真器。利用C-block模塊通過一組C指令可以獲得功率電感器的任何非線性方程。功率電感器作為壓控電流源，受該模塊控制。
下圖仿真結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計在穩(wěn)定條件的極限下使用飽和電感器時，在時域中可以看到，電感器電流波形是周期性一次穩(wěn)定的。在頻域中，可以看到在頻譜中僅在大約500kHz處出現(xiàn)了一個尖峰或峰值，這就是調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率。
當(dāng)電壓降低到穩(wěn)定條件極限之外時，有意迫使系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)，然后出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，但這并不是真正的不穩(wěn)定狀態(tài)。因為缺失輸出電壓的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器繼續(xù)將輸出電壓調(diào)節(jié)至期望水平。不同的是，現(xiàn)在的電感電流不再是周期一次穩(wěn)定，而是周期二次穩(wěn)定。這意味著我們有一個占空比較大的周期和一個占空比較小的周期。最終，在頻域可以看到產(chǎn)生了次諧波振蕩，這是一個問題。從電磁干擾（EMI）的角度看,它產(chǎn)生了更多的電磁干擾。
應(yīng)力測試實驗結(jié)果
通過實驗進行同樣的測試，得到以下結(jié)果。下圖所示是周期一次穩(wěn)定運行的波形。在頻譜中半開關(guān)頻率處，可以看到有一個較小的峰值。這證明了調(diào)節(jié)器處于周期一次穩(wěn)定的邊緣。
當(dāng)降低電壓以超過穩(wěn)定條件時，得到與仿真結(jié)果完全相同的時域波形和頻譜，在調(diào)節(jié)器半開關(guān)頻率處有較大的峰值。
負載瞬態(tài)應(yīng)力測試
如下圖所示，我們進一步進行了負載瞬態(tài)應(yīng)力測試。該瞬態(tài)條件與最壞情況下的瞬態(tài)條件相同。從電感器電流的波形可以看出，當(dāng)輸入電壓=12V,在穩(wěn)定性條件極限內(nèi)，沒有產(chǎn)生次諧波振蕩。因此，設(shè)計考慮了瞬態(tài)條件下電感電流過沖的情況。良好的電源設(shè)計是，當(dāng)選擇元件時必須考慮所有可能的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象且必須考慮最壞的情況。因此，如果所選飽和電感器在最壞情況下（包括負載瞬態(tài)）正確運行，那么就不會出現(xiàn)不穩(wěn)定性，也沒有意想不到的性能。
線路瞬態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果
我們同樣進行了線路瞬態(tài)應(yīng)力測試，得到如下圖所示結(jié)果。電感波形紅圈所示的點為電感器的最大應(yīng)力條件。
線路/負載瞬態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果
下圖表示的是開關(guān)調(diào)節(jié)器在線路瞬態(tài)和負載瞬態(tài)條件下運行的情況?？梢钥吹綀D中沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，也沒有產(chǎn)生次諧波振蕩。
過流保護應(yīng)力測試
在選擇電感器時，它必須在過流保護之前持續(xù)運行。下圖是一個過流測試，綠色表示負載電流減小或增加。在某一點，越過閾值，可以看到在紋波電流的最大幅度處，調(diào)節(jié)器從周期一次穩(wěn)定運行到停止運行過程中沒有出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。
至此，我們圓滿完成了電感飽和對開關(guān)模式電源控制運行的影響的探秘研究。從數(shù)學(xué)方法預(yù)測，到控制技術(shù)下的驗證，最后通過應(yīng)力測試證明：與非（去）飽和電感器相比，飽和電感器具有縮小尺寸、降低重量和開關(guān)損耗的優(yōu)點。毫無疑問，R&S為所有測試實驗搭建的強大測試平臺，是完成這些復(fù)雜任務(wù)的可靠保障。
評論