DSRF182AK02 3BSE014078R1其中T代表开环路增益,其中包括分级的控体H和补偿器G增益。
图3中显示了经典补偿的典型环路增益曲线,其中显示交越频率为6.5 kHz。在此点,T(s)相位为-90°。如果您想在6.5 kHz时从-180°起步,并正向清点相位度数直至穿越幅角波形,您在此例中就得到90°的相位余量。这就是一个极为强健的系统,被认为在各种条件下都稳定:即使在交越点附近环路增益有一定程度的变化,也没有可能在相位余量太小的频率交越。所谓的“太小”,我们指的是相位余量接近30°极限,低于此值时系统就提供不可接受的振铃(ringing)响应。这就是为什么您在上学时学习到45°是极限,此值相较于30°而言提供了额外的余量。我们稍后会看到这些数字的来源分析。
图3. 在此示例中,0 dB交越点位于6.5 kHz,此频率时总相位滞后提供了90°的相位余量
增益余量及稳定条件
图4显示了被补偿转换器的另一个典型频率响应,重点显示了0 dB交越点及相位余量。我们根据经验可知,构成转换器的元件在产生生命周期内会再现性能变化。这些变化可能是因正常的生产差异范围引起的(如电阻或电容遭受逐批次公差不同的影响)。转换器的环境工作条件也对元件有影响。在这些变量中,温度充当关键角色,影响被动或主动元件参数,如电容或电感等效串列电阻(ESR)、光耦电流传递比(CTR)或是双极晶体管的beta值。这些变量影响环路增益,使其上升或下降,具体则取决于受影响的参数。
图4. 环路增益会显示出对温度等外部参数的敏感性。出现变化时,相位余量必须始终保持在安全限制范围内。
如果增益曲线出现变化,0 dB交越频率将过渡至新的值,为转换器施加不同的带宽。在这些变化条件下转换器的稳定性会受到怎样的影响?如果新的交越频率出现在相位余量较少的点,瞬时响应性能可能下降,使过冲不再能被接受。因此,身为设计人员,你的责任就是确保这些差量(dispersion)在你接近-180°极限时不会突然增大增益。您需要充足的增益余量,其定义如下所示:
它对应于恰好为-180°或弧度的频率点(图3中为1 MHz).
图4描绘了由于所选择元件生产差异范围导致的±10 dB典型增益变化。它带来了1.5 kHz至30 kHz的交越频率。在此区域,相位余量从70°变为45°,这些都是理论上的安全数字。最坏情况是什么?就是新的交越频率在总相位滞后180°处出现。这条件在1 MHz时出来,表示有35 dB的正增益变化。
不太可能有大增益
有利的是,当今电子电路中不太可能出现35 dB的增益变化。以前,在变压器或伺服系统(servomechanism)采用真空管电路驱动的时候,上电序列期间的准备(warm-up)时间可能引起大的环路增益变化。因此,增益规定有必要排斥可能存在稳定性风险的第二个点。此总相位滞后达-180°的频率处的环路增益曲线上可见这增益余量,在图3中被标记为GM。在当今电子电路中,高于10 dB的增益余量通常就足够了,除非您的环路增益对外部参数极为敏感。
增益漂移的另一个示例如图5所示。图中显示另一个被补偿的转换器在10 kHz时出现80°的相位余量。根据前文的讨论,我们知道可能会出现增益变化,致使增益曲线上扬或下走。在我们的示例中,我们可以发现2 kHz附近一个区域的相位余量小到只有18°。如果出现20至25 dB的增益下降,你最后得到的控制系统就会出现相当危险的约2 kHz的低相位余量。这就会导致振荡响应,很可能超出过冲规范。此类系统被认为是有条件稳定。有利的是,如前所述,25 dB的增益变化并不常见,有这等增益余量的系统可被视为强健。然而,我看见过在一些设计案例中,最终使用者(您的客户)在规范中清晰标明不接受有条件的设计,要求在低于交越频率的所有点提供大于60°的相位余量。在这种情况下,就强制要求补偿转换器,使得无论什么工作条件下,低于交越频率时都不存在相位余量降低的区域。
图5. 在此示例中,如果增益漂移至低于25 dB,曲线就在相位余量仅为18°的频率点过0 dB轴。如此的相位余量将受大的过问影响,提供振荡极大的响应。这就是有条件稳定的案例。
稳定,或是不稳定?
通常认为,在交越前相位下降至低于-180°的系统是不稳定的系统。这样的响应如图6所示。在1 kHz后相位曲线快速下降,并在1.5 kHz之后的数kHz范围内越过-180°的极限。然后相位曲线又上扬,在10 kHz时提供50°的相位余量。是的,此系统很稳定,只不过是因为在0 dB时我们不满足方程式(7)。要记住的是,要消除方程式(3)的分母,您必须使增益大小恰好等于1且相位滞后180°或更多。在图中,我们可以看到任何点都不满足此条件。然而,值得一提的是,此环路极具条件相关性。如果增益减少数dB,您的相位余量
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