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寄生峰值:使原本稳定的反馈回路不稳定的寄生反馈通路

2022-11-17 10:48:52 John Dunn 阅读:
我一直坚信电子比人更加聪明。即使是最优秀的工程师,也可能深受不易察觉的电子作用之害,尤其是在存在寄生反馈通路对原本稳定的反馈回路造成破坏而需要找到它时。本文就带大家看一个案例研究。

我一直坚信电子比人更加聪明。即使是最优秀的工程师,也可能深受不易察觉的电子作用之害,尤其是在存在寄生反馈通路对原本稳定的反馈回路造成破坏而需要找到它时。本文就带大家看一个案例研究。Vauednc

我有一种多输出直流电源,其设计偶尔会出现回路不稳定,我正在寻找原因,进而寻求补救措施。我设置了一个注入信号,称为“E-test”,如图1所示。这样,通过检查与E1相关的E2,就可以查看反馈回路的增益和相位属性。Vauednc

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图1:E-test的基本回路增益测试计划。Vauednc

设计中有一个电流隔离栅,因此测试设置如2所示。Vauednc

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图2:更详细的回路增益测试计划。Vauednc

我们现在看看隔离栅电路是如何配置的(3)。Vauednc

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图3:交替动作的钳位隔离栅电路。Vauednc

在存在直流电流源驱动变压器次级中心抽头,通过变压器初级上的两个二极管引起交替钳位动作的情况下,信号输入电压E(左侧)就会转换为信号输出电压E(右侧)。由于两个NPN晶体管的Vcesat和四个二极管的正向压降,我们会损失一些电平,但却能非常接近地实现从输入到输出的线性传递函数。更详细的电路如图4所示。Vauednc

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图4:比图3更详细的交替动作钳位隔离栅电路。Vauednc

请注意1N4623稳压二极管上的8V电源。稍后我们将返回考虑这两个部分的性质。Vauednc

5所示的一对曲线显示了隔离栅电路的输出和随后的PWM控制信号输出与隔离栅电路的输入之间的关系。为了实现反馈回路控制,这就是我们所需要的。Vauednc

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图5:隔离栅电路的线性度。Vauednc

虽然现在已有新的型号取代,但惠普HP(现是德科技)4395A网络分析仪仍可用于回路测试(图6)。Vauednc

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图6:左侧是用于E-test的HP 4395A网络分析仪,右侧则绘出了如何将其连接到被测单元(UUT)。Vauednc

4395A网络分析仪通过图7所示的1:1接口变压器连接到UUT。同轴电缆的编织层用作测试变压器的初级,而电缆的中心导体则用作测试变压器的次级。两个100Ω电阻为分析仪的RF输出提供近50Ω负载,而100Ω和10Ω两个电阻则形成了一个非常小的E-test,以便在执行测试时使电源的工作状态尽可能接近正常。Vauednc

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图7:测试变压器及其与HP 4395A网络分析仪的连接。Vauednc

我们在E-test的不同激励水平下进行了回路增益测试,结果让我们大吃一惊。Vauednc

由于来自分析仪的测试信号电平从0dBm下降到-12dBm,因此我们得到了不同的测试结果(图8)。Vauednc

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图8:在网络分析仪的激励为(a)0dBm、(b)-3dBm、(c)-6dBm、(d)-9dBm、(e)-10dBm和(f)-12dBm的情况下所看到的回路增益。Vauednc

当将网络分析仪的输出电平设置为0dBm时,回路增益滚降特性起初看起来不错,但随着激励电平的改变,滚降特性发生了巨大变化。Vauednc

结果发现罪魁祸首如9所示。Vauednc

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图9:寄生反馈通路。Vauednc

8V的电源来自PWM动作所控制的同一个逆变器,因此导致了如图9所示的寄生反馈通路。稳压二极管的导通电阻促进了这条通路,并且在我看来,Rz相对于测试激励的变化导致了奇怪的测试结果。Vauednc

可以将稳压二极管替换为有源IC,如图10所示。Vauednc

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图10:消除寄生反馈通路。Vauednc

可通过使用具有极低动态电阻的LM136并改变一个电阻来恢复PNP晶体管的Q点,来消除寄生反馈通路。Vauednc

测试结果如11所示。Vauednc

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图11:去除了寄生通路的回路增益和回路相位。Vauednc

随着寄生反馈通路的中断,在所有测试驱动电平的情况下,增益相位结果都很好并且彼此相似。Vauednc

我们错误地假设电源是一个线性系统。由于稳压二极管的行为,电源实际上是一个非线性系统。Vauednc

从头开始,可以说,在进行回路增益和回路相位测试时应始终在不同的激励电平下运行,从而查看测试结果是否在每个激励电平下相互匹配。如果结果并非如此,那么在某个地方就存在非线性,这就可能会给我们或我们的最终用户带来麻烦。Vauednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Sneaky peak: sneaky feedback paths that de-stabilize an otherwise stable feedback loop,由Franklin Zhao编译。)Vauednc

本文为《电子技术设计》2022年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Vauednc

责编:Demi
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John Dunn
John Dunn是资深电子顾问,毕业于布鲁克林理工学院(BSEE)和纽约大学(MSEE)。
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