试剂加速稳定性换算，加速稳定性试验报告
chanong
|当各种环境和电路设计变量影响输出时，确定具有负反馈的电路的稳定性是很困难的。计算错误可能是奇怪电路行为（例如振荡和振铃）的滋生地。这需要初步测试程序以尽量减少变化的可能性。不幸的是，这种方法通常使用昂贵的高端电子负载来执行。本文向爱好者介绍了一种经济的替代方案，它将MOSFET 的线性区和饱和区与负载电阻相结合，以提供脉冲电流。
系统稳定性概述
为什么稳定性如此重要？您可以购买现成的知识产权(IP)、构建或制造电路、测试其功能并将其用于您想要的应用吗？不幸的是，这种临时方法存在风险，可能会产生毁灭性后果。了解这些风险需要建立坚实的稳定性基础。
根据闭环反馈系统的传递函数，当分母等于0时，系统处于不稳定状态。因此，当系统以“-1”增益（即单位增益和180 度相位反转）运行时，整个传递函数接近无穷大，这种状态成为极点（识别极点的另一种方法是提取以下特征） ）。分母值或特征向量）。由于传递函数以频率作为因变量，因此很容易认为设计工作频率远离极点的电路就能解决问题。然而，仅此预防措施还不够。随着负载和环境变量的引入，传递函数和极点（如果信号或系统更复杂，则为多个极点）会发生变化。系统复杂性和应用进一步模糊了稳定性的界限。例如，电源转换器加载有大量非线性电路器件和影响极移的外部寄生组件。除非我们依靠繁琐而困难的理论计算来明确定义稳定和不稳定的输出，否则我们不能期望得到合理的结果。然而，这并不一定意味着估计不可靠。事实上，仅靠理论不一定能保证系统的稳定性。
考虑到上述讨论，仅使用基本功能测试会增加产品在现场失败的机会。如果发生这种情况，客户很可能会抱怨产品缺陷。最坏的情况是公司因为产品不合格而亏损。
如何测试不稳定性
可以使用各种测量技术来测试电路在特定条件下是否振荡。设置根据可用资源而有所不同。下面详细解释了每个选项。
方法#1：从波特图获取增益和相位裕度。该方法是通过观察电路在频域中的特征响应来确定的。需要昂贵的网络分析仪或频率响应分析仪将正弦波（在所需范围内扫描的频率）与输出结合到电路的反馈环路中。然后同时测量增益和相位。回溯以单位增益和180相移发生的振荡，提取20·log(1)=0dB处的相位，并取与180的差。这就是相位裕度。同样的方法也适用于收益。然而，增益裕度不太常见，因为相位很少超过180。裕度越高，在满足极点条件之前的回旋余地就越大，从而使电路更加稳定。
通过这种方式，您可以清楚地显示每个变量对电路频率响应的影响。输出电容越大，相位裕度越低。这是因为相位和高频分量被衰减并且0dB点向左移动。此设置对于测量精度也很重要。如果由于连接器操作不小心或焊接不良而引入意外的寄生元件，则可能会出现不准确的情况。
方法#2：观察负载瞬态响应。该方法是通过观察电路在时域中的特征响应来确定的。根据电路规格，输出由灌电流或拉电流产生脉冲。用示波器观察输出响应（仍然相当昂贵，但比频率响应分析仪便宜）。如果观察到强给定现象，特别是那种不会很快衰减的现象，则极点可能存在于接近这种情况的地方。我们稍后将更详细地讨论这种方法。
方法#3：使用皮斯原理。已故的罗伯特·皮斯（Robert Pease），著名模拟集成电路（尤其是运放）设计者，被誉为“带隙皇帝”（我是在大学时从他的资料专栏《皮斯粥》中了解到他的）设计电路，我们详细介绍了一个简单的方法来测试稳定性。这涉及用所有频率的方波依次攻击电路。如果电路能够幸存，就意味着它是稳健的。电路中的薄弱环节也暴露出来。这个过程在理论上是好的，因为方波的频率分量位于频域中（还记得方波的傅里叶级数或单位阶跃响应的傅里叶变换吗？）。与上面介绍的第一种方法类似，我们将所有奇异正弦分量压缩为方波（而不是逐个扫描它们）。在我看来，这种方法应该采取一些预防措施，例如在输出上使用有源负载。
考虑负载瞬态响应
如果要测量负载瞬态响应，则需要更高分辨率的示波器。当处理非常高的电流时，明智的做法是检查电路的输入电压没有显着下降。电压降可能会触发电路中的欠压锁定(UVLO)。在这种情况下，实施4 线配置可以成为救星。必须遵循正确的探头接地原则，以避免可能导致误报的虚假过冲和下冲。
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如何测量负载瞬态响应
有多种方法可以测量负载瞬态响应。以下段落详细解释了每种方法。
使用与电阻器串联的MOSFET：此实现可能是本文中描述的最简单的方法，并且涉及在线性/工作区域中与负载电阻器串联工作的MOSFET。负载电阻的值决定了脉冲电流的高水平。 MOSFET 栅极可以使用任意波形发生器或函数发生器产生脉冲。如果规格宽松（脉冲电流转换速率不是一个大问题），可以提供脉冲的定制电路就可以了。请注意，MOSFET 开关必须处于线性区。否则，它会表现出高阻抗（例如当电流源饱和时会发生什么）。
请注意，大容量源电压必须处于地电位，以将开关偏置在线性区域（您可以反向偏置它，但不要过度，因为这也会增加阈值电压）。请）。此外，栅极-源极电压必须高于漏极-源极电压加上阈值电压。
图1：用于负载瞬态测量的NMOS 电阻器（左）和PMOS 电阻器（右）对设置（来源：Justin Spencer Mamaradlo）
查看图1，您可以看到NMOS 靠近参考地，PMOS 连接到VOUT 端子。这并非巧合，因为这种配置可以轻松地将栅源电压驱动到线性区域。例如，如果NMOS 放置在负载电阻上方，则其漏极端子将高于参考地。解决这个问题的一种方法是将脉冲电路连接到NMOS漏极而不是接地，或者引入DC偏移。不幸的是，如果脉冲发生器是带有内置地线的设备，则这是不可能的。
使用电子负载：市场上有许多电子负载可以满足不同的测量要求。当然，价格越低，仪器的质量就越低。尽管如此，即使是最便宜的电子负载价格也无法与单个MOSFET 和电阻器（对于爱好者而言）的价格竞争。如果是的话，为什么在这里提到呢？我提供此信息是为了完整性，并作为有人实际购买该仪器时的参考。
对于瞬态测量，需要电子负载来支持开关（这一要求本身设定了很高的价格标准）。以GWINSTEK的PEL-3000系列电子负载为例。要执行测量，请将仪器设置为“CR”模式并设置为适当的电流范围。记住每个范围对应的转换速率（在设备数据表中找到）很重要，以避免输出电压不必要的过冲。配置任何其他所需的附加设置（避免损坏D.U.T. 的保护、软启动等）并确保接口极性不反转。
使用工作在饱和区的功率MOSFET：这是利用饱和MOSFET的特性作为恒流源的电子负载的基本原理。这是最方便的，因为电流取决于施加到栅极的电压而不是外部电阻（很难设置）。缺点是MOSFET的功耗。由于没有负载电阻，MOSFET 会受到D.U.T.（具有非常高的功率）的额定输出电压和负载电流能力的压力。因此，本例中使用的MOSFET 更加昂贵（与之前的方法相比）。对于脉冲负载，栅极上的高电平电压必须足够精确，以驱动MOSFET 漏极和源极之间正确的高电平电流。因此，采用这种方法，在MOS 电阻器对配置中设置正确电阻的挑战变成了设置正确电压（通常低至+/-10mV）的挑战。
LTSpice 中的负载瞬态仿真
下面是我个人设计的用于USB Type-C同步电流编程模式的连续导通模式（CPM-CCM）升降压转换器。
图2：用LTSpice 绘制的CPM-CCM 双向USB Type-C 转换器（来源：Justin Spencer Mamaradlo）
该电路作为双向电源转换器以三种模式运行：正向降压、正向升压和反向降压。选择设计用于提供合理电流纹波的精密电感器并将其设置为10H。 MOSFET 对根据工作模式进行交替（所有四个不能同时切换）。转换器操作的全面说明如下：
在第1 点，作为5V 降压转换器：为了充当降压转换器，M1 必须表现为短路（线性区域），M2 必须表现为开路（截止区域）。 M3 和M4 必须进行占空比，以便输入电压降至5V。由于使用了一对NMOS，M3需要U11（带有辅助低功耗隔离的非稳压DC-DC转换器）。这有助于U7（此转换器状态的高侧驱动器）正确偏置M3 栅极。可以轻松粗略估计所需的占空比（对于降压应用，只需使用常用公式）并对其进行调整以满足容差规格。
关于第2 点，作为20V 升压转换器：为了使转换器充当升压器，M3 必须短路（线性区域），M4 必须开路（截止区域）。这次我们需要调整M2 和M1 的占空比以产生20V 输出。您可以通过检查升压的一般公式并将其校准到可接受的范围内来得出近似值。
在第3 点，作为5V 反向降压转换器：在这种情况下，晶体管的状态与第2 点类似。唯一需要调整的变量是占空比。同样，可以使用电压降低的通用公式来获得合理的估计，然后将其优化到可接受的限度内。
开关频率设置为250kHz，高侧和低侧功率MOSFET 之间的死区时间为100ns。两个控制信号（控制1 和控制2）用于控制四个功率MOSFET 的开关时间。
CPM模块的内部电路图如下所示。
图3：显示了USB Type-C电源转换器CPM模块的内部电路图（来源：Justin Spencer Mamaradlo）
当测量电压输入到“vs”引脚时，控制电压输入到“vc”引脚。理想电压源Varamp 使用人造灯来提高稳定性并减少失真。 U1 充当SR 触发器的比较器输入。最终输出是“PWM”端子上的脉宽调制信号。
为了测试该USB Type-C 转换器的负载瞬态响应，我将Rload 从8.9 (2.2A) 脉冲至6.7，如下图所示。
图4：使用LTSpice 的PWL 函数获得的负载瞬态响应。 （来源：贾斯汀·斯宾塞·马马拉德洛）
上述第三种方法实现了类似的结果。图5 显示了电路实现的示例。比较器U16 (LT1013) 用作驱动Q1 的500Hz 张弛振荡器。这定义了转换器输出端电流脉冲的时序。开关波形耦合至R22，并与由R14 分压器（Rtop 和Rbot）确定的偏移相加。由于U15被配置为反相放大器，因此在M5的栅极之前插入另一个反相放大器——U14。
图5：作为动态负载的电路如上所述，其增益可以通过一对电位器进行调节。 （来源：贾斯汀·斯宾塞·马马拉德洛）
对于营利性品牌电子负载来说，图5 所示电路的物料清单对于业余爱好者来说无疑是更有吸引力的选择。零件可以在当地的电子商店轻松购买。您还可以重用以前项目中的组件。因此，如果您想测试电路设计的稳定性，请选择本文介绍的方法。
本文发表于《电子工程专辑》 6月号。版权所有。