電源測試的人間煙火，深入淺出談環(huán)路響應測試！

開(kāi)關(guān)電源為什么要測控制環(huán)路響應

當你發(fā)現信號完整性不好時(shí)， 會(huì )不會(huì )是電源完整性帶來(lái)的問(wèn)題？當你發(fā)現時(shí)鐘抖動(dòng)很大時(shí)，會(huì )不會(huì )是電源質(zhì)量不好？當你發(fā)現系統有誤碼時(shí)，會(huì )不會(huì )是電源的控制環(huán)路不穩定？電源完整性(PI)和信號完整性(SI)是相互影響的，信號質(zhì)量不好，大概率電源不好，電源質(zhì)量不好，信號質(zhì)量肯定不好。

電源測試的三餐四季，人間煙火，不僅要測紋波噪聲，還要測環(huán)路響應，讓你的電源也有詩(shī)和遠方。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設備與我們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設備都離不開(kāi)可靠的電源，大部分電源和穩壓器是為指定電流范圍內保持穩定低噪聲的電壓輸出而設計的。

開(kāi)關(guān)電源是利用現代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。

開(kāi)關(guān)電源是一種高頻開(kāi)關(guān)式的能量變換電子電路，經(jīng)常作為設備的電源供應，為保證輸出對輸入的準確響應，負反饋技術(shù)被廣泛應用于電源穩壓器、穩壓器、電壓基準芯片、運算放大器以及其它電子電路中。就電源穩壓器來(lái)說(shuō)，輸入為一個(gè)準確的電壓基準，負反饋的作用是通過(guò)取樣輸出電壓與輸入電壓基準比較，存在差異或不正確信號時(shí)，進(jìn)行放大并修正輸出。當反饋環(huán)路穩定下來(lái)，輸出將收斂于準確的電壓值。當反饋環(huán)路處于非穩態(tài)時(shí)，那么輸出結果將偏離或持續振蕩。

理想的電源響應快，保持恒定輸出，而又沒(méi)有過(guò)多的振鈴或振蕩?？刂骗h(huán)路測量有助于表征電源怎樣對輸出負載條件變化作出響應?？刂骗h(huán)路穩定性不好會(huì )影響輸出噪聲、電源抑制比以及負載階躍響應的性能等。這些性能不好將導致更多的系統性能變差，例如：時(shí)鐘抖動(dòng)變大、信噪比降低、信號完整性不好、系統誤碼率增加等。

負反饋環(huán)路的好壞直接影響電源平穩輸出的能力，因此開(kāi)關(guān)電源環(huán)路響應測試非常重要，大多數工程師都是基于其產(chǎn)品輸出性能指標來(lái)反推環(huán)路特性，因此無(wú)法得到實(shí)際的環(huán)路增益曲線(xiàn)做針對性的電路整改，也無(wú)法判斷相位裕度是否合適，最終導致無(wú)法保證設計產(chǎn)品的可靠性和穩定性。因此，要關(guān)注控制環(huán)路穩定性，必須要對開(kāi)關(guān)電源的控制環(huán)路響應進(jìn)行測試和驗證。

開(kāi)關(guān)電源的環(huán)路響應測試如此重要，今天我們聊聊如何利用高精度實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行電源控制環(huán)路響應測試。

開(kāi)關(guān)電源負反饋系統

在電源設計中，控制環(huán)路測量有助于表征電源對輸出負載條件變化、輸入電壓變化、溫度變化等怎樣作出響應。理想的電源響應快，保持恒定輸出，而又不會(huì )有過(guò)多的振鈴或振蕩。這通常通過(guò)控制電源和負載之間元器件(一般是MOSFET)的快速開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。不穩定的電源或穩壓器可能會(huì )振蕩，導致控制環(huán)路帶寬上出現非常大的明顯紋波，這種振蕩還可能會(huì )導致EMI 問(wèn)題。

上圖是電源的環(huán)路響應測試的等效框圖，其中A(jω)為負反饋系統中的輸入，R(jω)為負反饋系統的輸出，D(jω)為反饋量，E(jω)為誤差信號；通過(guò)簡(jiǎn)單的數學(xué)運算，可計算出輸出與輸入之間的關(guān)系：

我們把上面的公式為閉環(huán)響應Closed-loop Response),稱(chēng)T(jω)=P(jω)Q(jω)為開(kāi)環(huán)響應(Open-loop Response)，簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)路響應(Loop Response)，表明的是信號在環(huán)路中繞行一周的效果。

我們想要負反饋系統一直保持其負反饋的特性，從而得到我們所需的輸出，可是負反饋系統并不總是能保持負反饋的特性。系統在所需范圍內保持負反饋的特性的能力稱(chēng)為穩定性。系統不穩定的數學(xué)條件為：

T(jω)=P(jω)Q(jω)=-1

上面的數學(xué)條件對于工程來(lái)說(shuō)，太嚴格，并且在實(shí)際電路中，P和Q都受環(huán)境等影響而變化，因此引入裕度(Margin)的概念。

相位裕度(Phase Margin)：增益為1，即0dB的時(shí)候，相位不能等于-180°。此時(shí)離-180°的距離即為相位裕度，即180°+∠P(jω)Q(jω)@ |P(jω)Q(jω)|=1。

增益裕度(Gain Margin)：相位為-180°時(shí)，增益不能為1(0dB)。此時(shí)離增益為1的距離即為增益裕度，即-20lg|P(jω)Q(jω)|@ ∠P(jω)Q(jω)=-180°。

使用開(kāi)環(huán)響應來(lái)評價(jià)閉環(huán)系統的穩定性，通常利用伯德圖表示，簡(jiǎn)單直觀(guān)，易于工程操作，廣受歡迎。

電源環(huán)路穩定性的指標

何評定開(kāi)關(guān)電源環(huán)路響應穩定的指標？開(kāi)環(huán)特性是一個(gè)重要的參數，表征負反饋系的穩定性，一般利用相位裕度(Phase Margin)和增益裕度(Gain Margin)來(lái)評定。下面來(lái)看看相位裕度、增益裕度、穿越頻率 (Crossover Frequency)的定義。

(1) 相位裕度：增益降到 0dB時(shí)，此時(shí)離-180°的距離即為相位裕度，即增益Gain=0dB時(shí)，相位裕度=φ-(-180°)。

(2) 增益裕度：增益曲線(xiàn)在相頻曲線(xiàn)達到-180°的頻率處對應的增益，即φ=-180°時(shí)，增益裕度=0-增益Gain(dB)。

(3) 穿越頻率：增益為 0dB時(shí)所對應的頻率值。

為了減小測量誤差，實(shí)測一般選取5Ω-10Ω的電阻；干擾信號的大小一般要求其幅度不能超過(guò)輸出電壓的5%，否則測出來(lái)的結果是不準確的。

工程中一般認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，開(kāi)環(huán)回路增益為 0dB(無(wú)增益 )的情況下環(huán)路的相位裕量要求大于 45°，以確保系統在各種誤差和參數變化情況下的穩定性。當負載特性、輸入電壓變化較大時(shí)，需考慮在所有負載狀況下以及輸入電壓范圍內的環(huán)路相位裕量應大于 30°。穿越頻率，又稱(chēng)為頻帶寬度，頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應的快慢。一般認為帶寬越寬，其對負載動(dòng)態(tài)響應的抑制能力就越好，過(guò)沖、欠沖越小，恢復時(shí)間也就越快，系統從而可以更穩定。但是由于受到右半平面零點(diǎn)的影響，以及原材料、運放的帶寬不可能無(wú)窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無(wú)限制提高，一般取開(kāi)關(guān)頻率的1/20至1/6。增益裕量表示控制系統保持穩定條件下所能承受的最大增益擾動(dòng)。

環(huán)路響應測試需要的設備

利用示波器進(jìn)行電源的環(huán)路響應測試，首先需要一臺高精度實(shí)時(shí)示波器；其次需要信號源，可以?xún)戎迷趯?shí)時(shí)示波器的函數發(fā)生器，也可以外置的信號源；還需要兩根1:1或2:1的電壓探頭，最后需要Picotest的J2100A(1Hz–5MHz)或J2101A(10Hz–45MHz)1:1注入變壓器，通過(guò)這個(gè)變壓器把信號源的輸出信號耦合到被測電路中去。

環(huán)路響應測試中的信號注入

1)    如何完成信號注入

從上圖，直觀(guān)上講，這個(gè)時(shí)候應該環(huán)路響應為：V_y/V_x =-T(s)，負號的產(chǎn)生來(lái)自負反饋，實(shí)際情況比這個(gè)直觀(guān)結果稍微復雜一些。等效電路基于一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)：Vinj = Vy-Vx。

2)    信號注入位置的選擇

要完成環(huán)路響應測試，并不能在環(huán)路的任何位置都可以插入注入電阻，而是對注入位置有一定的要求，一般建議串入的電阻合適位置，見(jiàn)下圖紅色的部分。V_inj = V_y

3)   如何選擇注入電阻的大小

前面討論完注入位置，那么串聯(lián)到環(huán)路中的電阻阻值的大小為多少? 最關(guān)鍵的是，把電阻插入到環(huán)路中，不能影響環(huán)路的穩態(tài)值。實(shí)際上是要求一個(gè)小的注入電阻。一般分壓反饋電阻網(wǎng)絡(luò )的電阻值至少在k歐姆級別以上，因此小于20歐姆的電阻是合適的，一般建議插入5至20歐姆的電阻。

4)    如何選擇注入幅度大小

確定了注入電阻位置和大小之后，下一步我們就需要確定注入幅度的大小，當信號源設置的電壓 為VAFG，在注入電阻兩端的電壓 Vinj并不等于信號源的設置值 VAFG，Rinj是注入電阻，RAFG是信號源AFG的輸出阻抗，Vinj是注入電阻兩端的幅度，VAFG是信號源AFG的輸出幅度，由于隔離變壓器的匝數比為 1:1，注入幅度Vinj與AFG的輸出幅度VAFG之間的關(guān)系見(jiàn)下面的公式:

舉個(gè)例子：假設信號發(fā)生器AFG的幅度為250mV，AFG設置阻抗為50歐姆，那么AFG的戴維南等效電路為一個(gè)理想的電壓源500mV串聯(lián)一個(gè)50歐姆內阻，注入電阻為5歐姆，那么注入電壓大致為500mV*5/(50+5)=45.45mV。

注入幅度大小的限制：

a)       若沒(méi)有其它的要求，一般可以從電源輸出電壓的1/10~1/20開(kāi)始，進(jìn)行試探；

b)      不能破壞環(huán)路的小信號條件；

c)       若開(kāi)關(guān)環(huán)路中存在閾值電路，則注入的電壓不能使得閾值電路的電壓低于閾值。

5) 注入不同幅度影響測試結果

注入不同幅度的大小影響測試結果，注入電壓太小，被淹沒(méi)在噪聲之中，低頻部分測不準，而在高頻段， 情況剛好相反，注入電壓太大，高頻部分測試會(huì )出現失真。因此，建議在低頻處施加大的注入電壓，在高頻處施加小的注入電壓，這樣測試更準確。

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環(huán)路響應測試連接圖

上圖是開(kāi)關(guān)電源環(huán)路響應實(shí)際測試連接圖。下面是測試連接步驟，供參考。

Step1：把分壓電阻和輸出電壓斷開(kāi)，串入一個(gè)5至20歐姆注入電阻；

Step2：把兩根1:1或2:1電壓探頭一端連接到示波器的兩個(gè)通道， 兩根探頭的另一端分別連接到注入電阻上端到地電壓和注入電阻下端到地電壓，注意接地；

注意事項：建議使用1:1或2:1無(wú)源電壓探頭才能更好地降低示波器底噪和電源開(kāi)關(guān)噪聲的影響，提高測試精度?？s短探頭的地線(xiàn)長(cháng)度對提高測試精度有很大的幫助。

Step3：把外部信號源AFG或示波器內置AFG輸出通過(guò)BNC電纜連接到Picotest 的1:1注入變壓器 J2100A，然后利用香蕉頭和夾子線(xiàn)連接到注入5歐姆電阻兩端，通過(guò)這個(gè)1:1注入變壓器將AFG輸出信號耦合到負反饋電路中去。

Step4：利用實(shí)時(shí)示波器環(huán)路響應測試軟件完成自動(dòng)測試，可得到開(kāi)關(guān)電源增益曲線(xiàn)和相位曲線(xiàn)，并自動(dòng)計算出增益裕度和相位裕度以及穿越頻率。

Step5：實(shí)際測試中，通常利用電子負載進(jìn)行拉載，分別全載、半載、空載幾種情況下進(jìn)行測試。