以数字LLC电源为例 浅谈电源的环路特性测量

在数字电源开发过程中，环路设计是一个重要的环节，设计一个带宽足够宽，相位裕度合适的数字补偿器对电源整体输出性能非常重要。

在设计补偿器前，通常会对电源进行开环特性获取，对于移相全桥，BUCK，BOOST等定频控制的拓扑而言，理论推导可以获得较为准确的开环特性模型，但对于变频控制的拓扑，如谐振电源LLC，因为其工作频率为控制量，其环路模型较难理论计算推导得到。

于这类变频控制的电源，通常使用相关的频谱分析设备去扫描电源功率级的开环特性，但频谱分析设备目前大部分为进口设备，价格昂贵，对于小编这种喜欢DIY的人，实在遥不可及。

频谱分析设备扫描电源的环路特性本质上是向电源中（控制量上或者输入量上）叠加各种频率的扰动信号，并观察电源在该扰动量下的输出扰动特性，根据输出扰动与注入信号扰动的副值和相位依次描绘出电源的增益曲线与相位曲线。

下面以比较常用的数字LLC电源为例子，使用示波器与信号发生器两种简单的设备去测量电源的环路特性。

1.LLC主电路

如下图所示为常规LLC直流电源简化的硬件架构，包括LLC主功率线路，采集线路（差分或分压）、RC滤波线路，DSP运算。DSP通过采集由差分运放转化而来的输出电压量（一阶RC滤除线路杂波），经数字环路产生特定频率的驱动信号驱动LLC的MOS管。

数字LLC电路架构

2. 小信号注入

通过在回路中注入小信号来分析整个回路的环路特性，注入方法如下图所示：

小信号注入方法

将差分采样电路和DSP控制器ADC采集端口的RC电路上断开，并在 RC电路上注入扰动信号。

注入DSP的信号由直流大信号和交流扰动小信号组成。

直流大信号主要为LLC提供稳定的工作点。即交流扰动小信号为0时，DSP采集只采集到直流大信号的电压值，将其乘以固定的K值，转换成特定的驱动频率信号PWM，使LLC工作输出为特定的工作电压。

比如LLC电源在输入400VDC，工作频率为50kHz时，输出为48V，直流信号为2V，那么DSP内部的公式为50kHz=K*2V，当然，这里的kHz和2V在实际的应用中为数字量。

2V的直流大信号由直流电源给定，即在小信号为0的情况下，调节直流大信号即可调节LLC输出电压。

环路特性分析是基于小信号模型，在直流大信号上叠加由信号发生器产生的特定频率与特定幅值的小信号扰动，注入DSP的ADC采样端口。

DSP采样会根据小信号瞬时值的变化而瞬时调整输出电压。

使用示波器获取注入信号与输出信号的波形的交流量（环路分析只基于交流分析），通过对比注入信号（CH2）与输出信号（CH1）的延时和幅值大小，即可分析整个环路特性（副值计算增益曲线，延时计算相位）。