6.4 测试电路

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首先我们需要保证的是 我们整个电路直流工作点 在测试的时候 与我们正常工作的时候是一致的 一般的做法 我们会在需要注入电压源的地方 串联一个比较小的电阻 那比如说是 10 欧到 100 欧之间 这样子阻值的小电阻 就基本上不会改变 我们整个闭环系统直流工作状态 我们拿了一个 BUCK 电路 TPS40425 来做实际的测试结果 右边是我们仿真出来的波特图 我们根据补偿 包括我们芯片内部的一些电路 然后建立模型 然后计算出来我们整个电路 波特图应该是多少 然后这个左边图 就是我们经过频率分析仪 然后扫出来的真实的环路响应 从这个两个图的比较我们可以看出 基本上我们测试出来的结果 跟我们计算出的结果是非常匹配的 对于这个注入的电压源信号 它应该注入在我们电路里面哪一部分 才会比较准确地反映出我们真实的环路结果呢 我们可以看到 当这个电压源注入这个电路之后 它使整个电路闭环 相应的我们在 A B 两点测到了电压 来得到环路测试结果 这个环路测试结果 它实际上跟我们真实的环路结果 它实际上会有一个系数的 也就是它这个系数是会等于 T(s)(1+Z2/Z1)+Z2/Z1 如果我们要使 Tm(s) 接近于真正的 ts 就必须要保证 Z2 要远远小于 Z1 它能够使 Z2/Z1 这一项基本上就等于 0 所以说我们要选择电压注入点 它的基本的条件 就是要必须要保证 Z2 能够远远小于 Z1 的阻抗 右边这个图我们做了简单的分析 假设说我们这里选择了四个点 我们分别来看这四个点 那我们分别来看 如果说电压源信号 分别从这个 那我们分别来看 如果说我们的电压源信号 如果说电压源信号分别从这四个点注入 得到的结果会是什么样子的呢 我们电路当中到底有哪些点 是能够满足 Z2 远小于 Z1 的条件呢 我们右边这个电路图做了简单的分析 假设说我们现在选择了四个点 我们分别来看这四个点能不能够 满足 Z2 远小于 Z1 的关系 然后使测量结果得到比较准确的值 我们先看第一个点 第一个点它是在开关节点这里 它是在上下桥臂与电感之间 这里串联了一个电压源 对于这一点我们先看阻抗分析 首先阻抗分析的话 我们先看 Z2 那个电阻 对于这点来说 Z2 的电阻它就是等效于 我们上下管桥臂的管子的导通阻抗 它是非常小的 毫欧级的 对于 Z1 来讲 Z1 它实际上就是 LC 输出的等效阻抗 所以说从这个来讲 它是满足 Z2 远远小于 Z1 的条件 但是我们注意到这一点 它实际上左边它是整个的开关节点 它并不是连续的电压波形 对我们测量来说 B 点这个电压会非常难测量 因为它是以响应电压 叠加上开关的噪声在这里 同时的话我们这点的电压 是直接串联在我们整个功率回路 很显然的话在我们功率回路 串一个 10 欧到 100 欧的电阻 这个明显是不现实的 我们再看第二个点 第二点我们是把它放在 输出电压跟我们电阻分压网络之间 从如果说从这一点来看 我们这个 B 点的电阻 Z2 这样就是等于 LC 的开环输出阻抗 它的 Z1 它实际上就等于 电阻分压网络的等效阻抗 所以说对这个来说 也是能够满足 Z1 远远大于 Z2 的条件 同时的话我们这点的电压 包括我们 B 点电压 包括 A 点电压都会是连续的电压 这里也不会有大电流流过 那样子相对我们第一个点会改善很多 这也是我们经常 作为这个注入电压源的常用点 第三个点 假如说我们把这个点选在 电阻分压网络跟误差放大器之间 就是在 FB 脚之间 从这个点来讲 它的从 B 点看进去的 Z2 的电阻 它实际上它会等于 我们电阻分压网路上下两部分的并联阻抗 对于 Z1 来讲 Z1 这点它因为跟误差放大器的参考 其实是处于虚短虚断的过程 这一点我们可以认为 它的 Z1 的阻抗是接近于零的 所以对于这一点来说 我们 Z1 跟 Z2 的关系是刚好相反的 这里是 Z2 远远大于 Z1 第四点 我们选择在我们的误差放大器输出 跟 PWM 比较器之间 这里串了一个电压源 对于这一点我们先看阻抗关系 对于 B 点看进去的 Z2 的电阻 它是接近于我们 PWM 波的输入阻抗 这个是接近于无穷大的 从 A 点看进去的 Z1 阻抗 它实际上是我们整个误差运放的输出阻抗 这个阻抗一般都是非常小的 所以说这个阻抗条件 它是能够满足 Z2 远远小于 Z1 的条件 但是对于这条线也就是从误差运放 然后到比较器之间 这条线往往是我们是把它做在芯片内部的 这条线我们基本上是不可能把它切断 然后再注入一个电压源的 通过比较四个点 只有第二个点的选择的是比较实际可行的 对于 led 驱动电路 我们要怎么样测量它的环路增益 我们都知道 led 驱动电路 它输出实际上是受恒流控制 它跟我们普通的电压控制是不一样的 我们直接在输入端 直接注入一个电压源的信号 明显是不太可行的 因为它的输出阻抗会非常大 但是我们可以检查 我们这个 led 驱动电路 它的主要的基本结构 它是通过检测我们输出电流 然后来做 cc 控制 如果说我们把这个电压 注入到 TP2 跟 TP3 之间 这个时候对于 TP2 跟 TP3 来说 TP3 就是 B 点 TP2 就是 A 点 对于 B 点来说 它的 Z2 就是等于 我们这个采样电阻的阻值 0.7 欧 对于 Z1 来说 实际上就是会等于 TP2 往电路里面看的等效电阻 它至少也是 10k 级以上的阻值 所以我们右边得到了 这个 led 驱动电路的等效框图 0.7 欧就是 Z2 右下角是我们根据这个测试方法 测量出来整个的环路增益 相位的曲线图 我们前面提到测量一个系统的波特图 然后得到这个系统的截止频率 能够很好地帮助我们 预测我们整个系统 在动态跳变的时候的动态响应 包括测量它的过冲跟跌落的幅度 包括它的过冲和跌落到达最大的时间 它都跟截止频率有关系 对于有多路返回通道的系统来说 我们必须要保证 注入电压能够注入到所有的反馈通道上 那我们右边实际上是一个简化的框图 它有两个反馈通道 分别是 H1 加 H2 这个系统的增益 会等于两个通道的增益之和 那如果注入电压只注入到了 其中某一个反馈通道上 很显然的这个时候我们得到测试的结果 是不能准确地反映整个系统的环路参数的 我们这里先看一个例子 这里有我们 431 作为副边的参考 然后它会比较输出电压的误差信号 然后变成电流信号 通过光耦传到我们原边 然后由我们原边控制器来进行调节 从这里来看 对我们芯片控制器来说 它能看到的这个信号实际上是光耦的输出信号 光耦的这个输出信号 跟在副边发光二极管上流过的电流是直接相关的 控制这个副边的发光二极管上的电流 它实际上会有两条通路影响 第一条通路实际上是由我们输出 经过电阻分压 然后进入 431 形成一个通路 然后第二个它也有个偏置的通路 它是从输出经过 up 的上拉电阻 这个会给它一个偏置的电流 这样子也会影响到 副边发光二极管的电流 所以说这个时候我们需要把注入电压 把它注入到输出跟两个通路分路之前 也就是我们图里面看到的这个 红色这个注入电压源的位置 我们根据这种注入方法 然后测试整个环路的波特图 我们可以看到中间这个增益跟相位的曲线图 它的截止频率大约会是在 15kHz 的地方 按照我们前面分析的结果 就说对于这个闭环系统 如果说它的截止频率大约是 15kHz 就意味着在做动态跳变的时候 这个输出电压的过冲和跌落 到达它 Peak 电压的时间 大约是 1/4 个截止频率的倒数 这个时候我们按照 15kHz 来计算 大约就是 16.7 个微秒的时间 然后我们通过示波器观测到实测的结果 实测结果是 9.4A 到 12.6A 的跳变过程 我们可以看到输出电压的跌落 刚好是经历了 16 个微秒就达到最大值 所以说从动态测试结果来看 跟我们环路测试的截止频率的结果 这两个是匹配的非常好的 我们再看另外一个例子 这里是一个 BUCK 电路 它用的是我们 TI 的 D-CAP 的控制方式 我们可以看到我们这里 对于 FB 上的那个信号 它实际上会有两个输入通路 那第一个是通过电阻分压网络 第二个它实际上会有一个 跨接在电感上的 RC 然后经过一个前馈电容并到 FB 上 如果说我们按照之前的连接方式 我们只是把注入的电压源 接在电阻分压网络跟输入之间 也就是像第一种设置一样 我们测到的环路响应图 就是我们这条蓝色的线 从这条蓝色线里面我们可以看到 我们整个系统的截止频率大约是 14kHz 这个时候我们可以对这个系统 做一个动态响应的测试 我们可以看到 当我们负载电流发生跳变的时候 这个输出电压出现过冲 输出电压从开始上升 然后到达最高点的时间大约是 5.2us 的时间 对应频率就是 48kHz 的时间 我们可以根据这个时间 与我们截止频率的关系 然后算出我们截止频率的时间 大约是 48kHz 很显然这个值 跟我们测出来的 14kHz 是明显有很大区别的 这个时候我们前面也提到了 对于我们反馈脚 FB 上 它实际上会有两个信号通路 所以这个时候 我们可以采用第二种的连接方式 我们从输出接了一个 20 欧电阻 经过这个 20 欧电阻之后 它才去会分成两个支路 第一个支路会经过分压网络到达 B 第二个支路它会从 Rp 跟 Cp Cff 这个支路来形成第二个通路 这时候就可以保证 当注入电压源加在这个 20 欧两端的时候 它是能够加在两个反馈通路上的 所以我们这个时候对整个系统 得到一个新的测试结果 我们可以看到在这个新的测试结果下 我们整个系统的截止频率会变成 52kHz 52kHz 就比较匹配我们这个动态响应 得到的截止频率 48kHz 这个结果 前面我们提到了 我们在做环路测试的时候 我们必须要保证整个系统 它的 DC 工作点跟我们正常工作是类似的 那同样的这个对于 AC 工作点 其实上也是适用的 我们前面也其实举了个例子 这是 D-CAP 的控制器 D-CAP 的控制器的话 我们在正常工作的时候 我们通过 Rp 跟 Cp 然后会在 Cp 上 有一个跟开关频率类似的三角波 然后这个三角波会通过 Cff 然后最终是加到 FB 上 这个是我们正常工作的情况 这个时候我们需要插入一个 20 欧的电阻 来测试整个环路的特性 那我们前面的也提到了 这个 20 欧的电阻加在电阻分压网络 和前馈网络分路之前 也就是我们中间这个图所表示的 这个时候 20 欧的电阻 对我们测试环路来说 这是一个正常的注入电阻 但是我们这个时候注意到 我们前面这个并联在我们电感两端的 Rp 跟 Cp Rp 只有 2k 欧 这个时候即使相对于两颗来说 20 欧 只有 1% 的值 当我们在一些高频的一些场合 CP 这个时候它的等效阻抗就会非常小 我们可以基本上认为在开关频率这一点 我们这个 20 欧它实际上会有相应的分压 这个时候就意味着这个 20 欧的电阻上 实际上大约会有 1% 的电感电压 假设我们这时候输出还没有起来 很显然在这个 20 欧电阻上 也会有一个一百多毫伏的方波电压在上面 这个方波电压依然会通过 Cff 耦合到我们 FB 上 我们就可能会在 FB 上会看到 在我们电感在开通的时候 会有个很往上翘的电压值 这样的话在我们 FB 上看这个电压 实际上就不是我们正常工作时候的电压 这样子有什么方法可以改进呢 我们这时候可以选择 在这个 20 欧的电阻上 并联一个比较大的电容 并联这个电容之后 等于说我们这个 20 欧的电阻 跟我们这个并联电容就形成了一个阻抗 这个阻抗对于我们前面所说的 电感两端的电压值 它实际上它所形成等效分压就会大大减小 因为我们这电容并上电阻之后 使我们这一块的阻抗也得到大幅的减小 那我们可以看到 如果说我们并一个 0.1uF 的电容 这个时候在我们 20 欧两端的交流电压 就只会有 1.35mV 相应的如果这个电压 通过 Cff 再耦合到我们 FB 上 基本上对我们整个系统影响也就可以忽略掉了 对于 PFC 电路的环路测试 有几点可能大家需要注意的地方 第一个就是 我们 PFC 电路它的环路带宽一般都很低 有可能是几 Hz 也有可能是几十 Hz 我们在这个时候在环路测试仪里面 做的积分时间 一定要选择足够低的带宽 来保证足够长的积分时间来接收有效信号 第二个挑战就是 PFC 电压一般输出是比较高 可能是达到三四百伏或者更高 环路分析仪它实际上都是需要检测到 A B 两点的实际电压信号 所以说我们这个时候必须要确保 环路分析仪能够支持这么高的输入电压 第三 因为我们 PFC 电路的带宽比较低 有可能是低于十个赫兹以下 那我们这个时候就可以考虑采用 这个注入电压作为直流的情况来做测试 如果我们大家没有一个 支持高压输入的环路分析仪的话 我们可以通过监测 A B 两点的电压信号 然后分析 A B 两点的相位跟增益的关系 然后来推算出我们整个系统的波特的响应图 关于这点的话 大家可以详细参考我们这个第五个文献
课程介绍 共计5课时,38分55秒

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