回路穩(wěn)定性測量逾越PC仿真
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工程師設計了在電源、電動機驅動器或幾乎任何功率電子產(chǎn)品內(nèi)的一個控制回路以后，必須證實回路穩(wěn)定性已達到規(guī)定的技術指標。與在回路上加瞬時負載之后進行紋波、噪聲、電壓偏移或恢復時間測量不同，你無法用傳統(tǒng)的測試儀器，如電壓表或示波器，有效地測試回路穩(wěn)定性。
工程師要使用多種獨立的儀器或昂貴的專用設備來進行漫長而又復雜的測試，因此他們常常認為電路仿真能真實地反映制成品的特性。然而，盡管一種表面穩(wěn)定的設計是以軟件仿真為基礎的，但工程師們卻會發(fā)現(xiàn)，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的負載條件變化都會使制成品達不到預期的性能、工作不穩(wěn)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(jù)編程員輸入程序中的信息，對系統(tǒng)響應進行近似。因此，用軟件仿真代替實際測量是不可靠的。如今，現(xiàn)代儀器技術為工程師提供的測試儀器能對這一關鍵設計特性進行直接測量，而且經(jīng)濟實惠。眼下已有一系列經(jīng)濟實用的技術可用來簡化環(huán)路穩(wěn)定性測試（見附文“控制理論是起步之源”）。
從測試點開始
在閉路環(huán)境中進行實際測試的第一步是注入一個干擾信號。為達到這一目的，就要在環(huán)路中插入一個 10 Ω～ 100Ω 的電阻器，而所選的插入點要使這個小電阻產(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侯進行這些測試，而不會打亂電路板布線。
為了有效地測量注入信號的相對增益和相位，測量儀器必須抑制除注入頻率以外的其它頻率成份。實現(xiàn)這種抑制的最好辦法，就是在你注入每一個選定的頻率時，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(shù)據(jù)進行一次 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 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 進行處理就可以得到一個完整的頻響波德圖。例如，盡管圖 4 所示系統(tǒng)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調整率不佳，穩(wěn)定性降低。與之相反，在滿負載時，雖然增益裕度比輕負載時小，但仍然足夠大，因而在很寬的頻率范圍內(nèi)具有高得多的增益（圖 5）。這一增益使系統(tǒng)即使在負載快速變化時仍具有出色的調整率和更高的穩(wěn)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(nèi)測量其傳遞函數(shù)（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(shù)，你就要考慮設計修改對整個傳遞函數(shù)內(nèi)極點元素和零點元素的影響，以實現(xiàn)最佳的總體性能。
一個極點元素會引入每十倍程-20 dB 的衰減和負相移，而零點元素則會引入每十倍程 20 dB的 衰減和正相移。完整的傳遞函數(shù)包括了控制回路內(nèi)的極點元素和零點元素。幾乎所有系統(tǒng)都會在較高頻率下出現(xiàn)衰減，因此，傳遞函數(shù)中的極點元素通常多于零點元素。
在圖 4 所示的低端負載傳遞函數(shù)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，這表示存在一個主極點。雖然為了說明主題，圖 1 沒有畫出電源的完整原理圖，但你要考慮到這一主極點是與控制回路中誤差放大器級的電容相關的。減少該級內(nèi)的這一電容值，就會增加極點頻率，進而提高增益，從而改善低頻調整率。與這一修改相關的傳遞函數(shù)變化，會影響所有負載條件下的增益和相位，所以你必須在整個負載范圍內(nèi)反復進行測試，以確保增益裕度和相位裕度都保持在目標限度內(nèi)。
盡管在控制回路設計的早期，PC 仿真是一種有價值的工具，但設計師只有對已完成的設計進行實際測量，才能真正了解真實的控制回路特性。如今，現(xiàn)代測量儀器已能提供一種準確而又經(jīng)濟的手段來應付這一挑戰(zhàn)。
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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間變化的系統(tǒng)的行為。為了簡要復習基礎原理，現(xiàn)在考慮這一理論的最常見實例之一，即電源內(nèi)的控制回路（圖 A）。
一臺穩(wěn)壓電源應為負載提供一個穩(wěn)定的輸出電壓，為了實現(xiàn)這一目的，電源在不斷變化的負載條件下，必須能調節(jié)系統(tǒng)特性來保持所需的輸出電壓。你可以用一個控制回路來實現(xiàn)這種調節(jié)。這種控制回路將電源輸出的一部分反饋回去，與一個已知的基準信號進行比較。然后，利用比較產(chǎn)生的誤差信號來調整電源系統(tǒng)的增益，從而就能保持所需的輸出電壓。
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