電感飽和與開(kāi)關(guān)電源之間的密切關(guān)系（下）

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，使用不同的電感器測量功率變換器的紋波電流和開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)實(shí)驗驗證了各種數學(xué)算法的可行性。

接下來(lái)，我們繼續實(shí)操環(huán)節，還是利用R&S的測試設備(示波器、電源、探頭等)搭建出測試系統，分別對負載和線(xiàn)路的瞬態(tài)應力、過(guò)流保護應力進(jìn)行測試，驗證選擇飽和電感是不是會(huì )讓電路出現任何瞬態(tài)不穩定現象。

應力測試實(shí)驗示例

應力測試實(shí)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節器這一部分。使用兩個(gè)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(jiàn)，飽和電感器比非飽和電感器小得多。

這兩個(gè)元件的所有特性都通過(guò)實(shí)驗模型表征，包括溫度的影響。根據工作溫度，我們得到了所有參數值。然后，使用與前一個(gè)實(shí)驗類(lèi)似的實(shí)驗裝置測試了該電路板。

在這種情況下，我們只使用一個(gè)電流探頭來(lái)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，為了了解調節器是否穩定運行，利用示波器的FFT功能，可以更容易地在頻域內檢測次諧波振蕩。我們將使用這兩個(gè)可視化來(lái)顯示這個(gè)現象。

該穩定性條件已應用于飽和電感器和非飽和電感器。將電感器設置在某一工作點(diǎn)，使用飽和電感器轉換功率可能會(huì )出現不穩定運行或周期性二次運行。因此設置閾值，以便看到不穩定現象。

當電壓高于12V時(shí)，這兩個(gè)帶電感器的轉換器都是周期性一次穩定運行。當將穩定性條件設置為12V時(shí)，飽和電感器和非飽和電感器都是周期性一次穩定運行。而當將其設置為低于12V時(shí)，飽和電感器表現為非周期性一次穩定運行，非飽和電感器表現為周期性一次穩定運行。

應力測試仿真原理

為了從實(shí)驗上證明這一點(diǎn)，進(jìn)行了仿真和實(shí)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(guò)一組C指令可以獲得功率電感器的任何非線(xiàn)性方程。功率電感器作為壓控電流源，受該模塊控制。

下圖仿真結果表明，當設計在穩定條件的極限下使用飽和電感器時(shí)，在時(shí)域中可以看到，電感器電流波形是周期性一次穩定的。在頻域中，可以看到在頻譜中僅在大約500kHz處出現了一個(gè)尖峰或峰值，這就是調節器的開(kāi)關(guān)頻率。

當電壓降低到穩定條件極限之外時(shí)，有意迫使系統進(jìn)入不穩定狀態(tài)，然后出現不穩定狀態(tài)，但這并不是真正的不穩定狀態(tài)。因為缺失輸出電壓的調節,調節器繼續將輸出電壓調節至期望水平。不同的是，現在的電感電流不再是周期一次穩定，而是周期二次穩定。這意味著(zhù)我們有一個(gè)占空比較大的周期和一個(gè)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(gè)問(wèn)題。從電磁干擾(EMI)的角度看,它產(chǎn)生了更多的電磁干擾。

應力測試實(shí)驗結果

通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行同樣的測試，得到以下結果。下圖所示是周期一次穩定運行的波形。在頻譜中半開(kāi)關(guān)頻率處，可以看到有一個(gè)較小的峰值。這證明了調節器處于周期一次穩定的邊緣。

當降低電壓以超過(guò)穩定條件時(shí)，得到與仿真結果完全相同的時(shí)域波形和頻譜，在調節器半開(kāi)關(guān)頻率處有較大的峰值。

負載瞬態(tài)應力測試

如下圖所示，我們進(jìn)一步進(jìn)行了負載瞬態(tài)應力測試。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，當輸入電壓=12V,在穩定性條件極限內，沒(méi)有產(chǎn)生次諧波振蕩。因此，設計考慮了瞬態(tài)條件下電感電流過(guò)沖的情況。良好的電源設計是，當選擇元件時(shí)必須考慮所有可能的瞬態(tài)和穩態(tài)現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(huì )出現不穩定性，也沒(méi)有意想不到的性能。

線(xiàn)路瞬態(tài)應力測試結果

我們同樣進(jìn)行了線(xiàn)路瞬態(tài)應力測試，得到如下圖所示結果。電感波形紅圈所示的點(diǎn)為電感器的最大應力條件。

線(xiàn)路/負載瞬態(tài)應力測試結果

下圖表示的是開(kāi)關(guān)調節器在線(xiàn)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(méi)有出現不穩定現象，也沒(méi)有產(chǎn)生次諧波振蕩。

過(guò)流保護應力測試

在選擇電感器時(shí)，它必須在過(guò)流保護之前持續運行。下圖是一個(gè)過(guò)流測試，綠色表示負載電流減小或增加。在某一點(diǎn)，越過(guò)閾值，可以看到在紋波電流的最大幅度處，調節器從周期一次穩定運行到停止運行過(guò)程中沒(méi)有出現任何瞬態(tài)不穩定現象。

至此，我們圓滿(mǎn)完成了電感飽和對開(kāi)關(guān)模式電源控制運行的影響的探秘研究。從數學(xué)方法預測，到控制技術(shù)下的驗證，最后通過(guò)應力測試證明：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(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)點(diǎn)。毫無(wú)疑問(wèn)，R&S為所有測試實(shí)驗搭建的強大測試平臺，是完成這些復雜任務(wù)的可靠保障。

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審核編輯：湯梓紅