電感飽和與開關(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(cè)試儀器搭建出了一套測(cè)試系統(tǒng)，使用不同的電感器測(cè)量功率變換器的紋波電流和開關(guān)頻率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各種數(shù)學(xué)算法的可行性。

接下來(lái)，我們繼續(xù)實(shí)操環(huán)節(jié)，還是利用R&S的測(cè)試設(shè)備(示波器、電源、探頭等)搭建出測(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)負(fù)載和線路的瞬態(tài)應(yīng)力、過(guò)流保護(hù)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證選擇飽和電感是不是會(huì)讓電路出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)示例

應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)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，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(yàn)?zāi)Ｐ捅碚?，包括溫度的影響。根?jù)工作溫度，我們得到了所有參數(shù)值。然后，使用與前一個(gè)實(shí)驗(yàn)類似的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)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(cè)量電感器電流，但可能需要其他電壓探頭檢測(cè)輸入電壓、輸出電壓和其他信號(hào)。在這種情況下，為了了解調(diào)節(jié)器是否穩(wěn)定運(yùn)行，利用示波器的FFT功能，可以更容易地在頻域內(nèi)檢測(cè)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(xiàn)象。

該穩(wěn)定性條件已應(yīng)用于飽和電感器和非飽和電感器。將電感器設(shè)置在某一工作點(diǎn)，使用飽和電感器轉(zhuǎn)換功率可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行或周期性二次運(yùn)行。因此設(shè)置閾值，以便看到不穩(wěn)定現(xiàn)象。

當(dāng)電壓高于12V時(shí)，這兩個(gè)帶電感器的轉(zhuǎn)換器都是周期性一次穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)將穩(wěn)定性條件設(shè)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(wěn)定運(yùn)行。而當(dāng)將其設(shè)置為低于12V時(shí)，飽和電感器表現(xiàn)為非周期性一次穩(wěn)定運(yùn)行，非飽和電感器表現(xiàn)為周期性一次穩(wěn)定運(yùn)行。

應(yīng)力測(cè)試仿真原理

為了從實(shí)驗(yàn)上證明這一點(diǎn)，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計(jì)在穩(wěn)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(wěn)定的。在頻域中，可以看到在頻譜中僅在大約500kHz處出現(xiàn)了一個(gè)尖峰或峰值，這就是調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率。

當(dāng)電壓降低到穩(wěn)定條件極限之外時(shí)，有意迫使系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，然后出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，但這并不是真正的不穩(wěn)定狀態(tài)。因?yàn)槿笔л敵鲭妷旱恼{(diào)節(jié),調(diào)節(jié)器繼續(xù)將輸出電壓調(diào)節(jié)至期望水平。不同的是，現(xiàn)在的電感電流不再是周期一次穩(wěn)定，而是周期二次穩(wěn)定。這意味著我們有一個(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(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行同樣的測(cè)試，得到以下結(jié)果。下圖所示是周期一次穩(wěn)定運(yùn)行的波形。在頻譜中半開關(guān)頻率處，可以看到有一個(gè)較小的峰值。這證明了調(diào)節(jié)器處于周期一次穩(wěn)定的邊緣。

當(dāng)降低電壓以超過(guò)穩(wěn)定條件時(shí)，得到與仿真結(jié)果完全相同的時(shí)域波形和頻譜，在調(diào)節(jié)器半開關(guān)頻率處有較大的峰值。

負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)力測(cè)試

如下圖所示，我們進(jìn)一步進(jìn)行了負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)力測(cè)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(dāng)輸入電壓=12V,在穩(wěn)定性條件極限內(nèi)，沒有產(chǎn)生次諧波振蕩。因此，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是，當(dāng)選擇元件時(shí)必須考慮所有可能的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)現(xiàn)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(fù)載瞬態(tài))正確運(yùn)行，那么就不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性，也沒有意想不到的性能。

線路瞬態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

我們同樣進(jìn)行了線路瞬態(tài)應(yīng)力測(cè)試，得到如下圖所示結(jié)果。電感波形紅圈所示的點(diǎn)為電感器的最大應(yīng)力條件。

線路/負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

下圖表示的是開關(guān)調(diào)節(jié)器在線路瞬態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)條件下運(yùn)行的情況?？梢钥吹綀D中沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，也沒有產(chǎn)生次諧波振蕩。

過(guò)流保護(hù)應(yīng)力測(cè)試

在選擇電感器時(shí)，它必須在過(guò)流保護(hù)之前持續(xù)運(yùn)行。下圖是一個(gè)過(guò)流測(cè)試，綠色表示負(fù)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(diào)節(jié)器從周期一次穩(wěn)定運(yùn)行到停止運(yùn)行過(guò)程中沒有出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

至此，我們圓滿完成了電感飽和對(duì)開關(guān)模式電源控制運(yùn)行的影響的探秘研究。從數(shù)學(xué)方法預(yù)測(cè)，到控制技術(shù)下的驗(yàn)證，最后通過(guò)應(yīng)力測(cè)試證明：與非(去)飽和電感器相比，飽和電感器具有縮小尺寸、降低重量和開關(guān)損耗的優(yōu)點(diǎn)。毫無(wú)疑問(wèn)，R&S為所有測(cè)試實(shí)驗(yàn)搭建的強(qiáng)大測(cè)試平臺(tái)，是完成這些復(fù)雜任務(wù)的可靠保障。

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審核編輯：湯梓紅