使用Bode Plot測量電源環(huán)路響應

在電源設計中穩定性是一項非常重要的指標。
這篇應用筆記將會(huì )簡(jiǎn)單介紹穩定性測量的基本概念，以及如何使用鼎陽(yáng)的設備進(jìn)行穩定性測量。
 

2.穩定性測量的基本概念

2.1反饋系統的穩定性

穩壓電源本質(zhì)上是一個(gè)能輸出非常大電流的反饋放大器，所以適用于反饋放大器的理論同樣適用于穩壓電源（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電源）。根據反饋理論，一個(gè)反饋系統的穩定性可以通過(guò)其系統傳遞函數得出。工程實(shí)踐上通常會(huì )使用環(huán)路增益的波特圖來(lái)判斷系統的穩定性。圖 2是一個(gè)典型的反饋系統。系統的閉環(huán)傳遞函數A是輸入x和輸出y的數學(xué)關(guān)系表達式。環(huán)路增益T則是信號經(jīng)過(guò)環(huán)路一周所得到的增益。

在實(shí)際的系統中，因為前向增益α和反饋系數β都是復數，所以閉環(huán)傳遞函數A和環(huán)路增益T也是復數，也就是既有模值也有相角。當環(huán)路增益T的模值為1相角為-180°的時(shí)候，閉環(huán)傳遞函數的分母為0，其結果變?yōu)闊o(wú)窮大。這意味著(zhù)一個(gè)系統在沒(méi)有輸入的情況下會(huì )維持一個(gè)輸出，系統是一個(gè)振蕩器，這與穩定系統有界的輸入產(chǎn)生有界的響應相矛盾，也就是說(shuō)此時(shí)系統是不穩定的。
我們可以畫(huà)出系統環(huán)路增益的波特圖來(lái)評估系統的穩定性，表達系統穩定性常用的增益裕度和相位裕度指標一般就是從這里得出的。相位裕度指的是在增益降為1（或者0 dB）的時(shí)候，相位距離-180°還有多少；增益裕度則是相位到達-180°的時(shí)候，增益比1（或者0 dB）少了多少。

2.2斷開(kāi)環(huán)路

我們只需要簡(jiǎn)單的把環(huán)路斷開(kāi)就可以得到環(huán)路增益。圖 4展示了如何在反饋系統中把環(huán)路斷開(kāi)，理論計算時(shí)你可以從任何地方把環(huán)路斷開(kāi)，不過(guò)我們通常選擇在輸出和反饋之間把環(huán)路斷開(kāi)。斷開(kāi)環(huán)路后，我們在斷點(diǎn)處注入一個(gè)測試信號i，i經(jīng)過(guò)環(huán)路一周后到達輸出得到信號y，y和i的數學(xué)關(guān)系式就是我們要求的環(huán)路增益。

2.3環(huán)路注入

現實(shí)中反饋環(huán)路往往起到了穩定電路靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，所以我們不能簡(jiǎn)單的把環(huán)路斷開(kāi)去測環(huán)路增益。反饋環(huán)斷開(kāi)后，電路因為輸入失調等原因，輸出會(huì )直接飽和，這種情況下無(wú)法進(jìn)行任何有意義的測量。
為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們必須在閉環(huán)的情況下進(jìn)行測量，一種可行的手段是環(huán)路注入。圖 5展示了典型的環(huán)路注入方法。為了盡可能降低誤差，我們對注入點(diǎn)的選取有特殊的要求，一般要讓從注入點(diǎn)一端看進(jìn)去的阻抗遠遠大于另一端看進(jìn)去的阻抗，一個(gè)比較理想的注入點(diǎn)是輸出和反饋網(wǎng)絡(luò )之間，其他注入點(diǎn)如誤差放大器和功率晶體管之間也是可行的。

圖 5 環(huán)路注入

為了維持閉環(huán)，我們在注入點(diǎn)的位置插入一個(gè)很小的電阻而不是把環(huán)路在注入點(diǎn)斷開(kāi)，注入信號將通過(guò)這個(gè)注入電阻注入到環(huán)路中去。這個(gè)注入電阻的取值要足夠的小，通常要遠遠小于反饋網(wǎng)絡(luò )的等效阻抗，這樣才能保證注入電阻對反饋環(huán)路的影響可以忽略不計。Picotest建議當使用J2100A型變壓器或直接使用Siglent SAG1021I時(shí)，使用4.99 Ω的注入電阻，當然適當大一點(diǎn)的注入電阻也是可以的。另外一方面，因為注入電阻和注入變壓器并聯(lián)，小一點(diǎn)的注入電阻能降低變壓器工作的下限頻率，這在需要測量極低頻率的時(shí)候非常有用。
原則上信號的注入不能影響環(huán)路的靜態(tài)工作點(diǎn)，為了解決現實(shí)的電路中信號源和被測件共地的問(wèn)題，往往需要使用注入變壓器，如圖 6所示?；蛘咧苯邮褂脦Ц綦x的信號源。

圖 6 使用注入變壓器注入環(huán)路

注入信號從注入電阻的一端注入到環(huán)路中，經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò )、誤差放大器和功率晶體管到達輸出，也就是注入電阻的另一端。這樣輸出信號y和注入信號i的數學(xué)關(guān)系就是我們要求的環(huán)路增益。
需要注意的是我們在閉環(huán)的情況下測量開(kāi)環(huán)參數，測試結果的相位會(huì )從180°開(kāi)始逐步將到0°，這與理論上直接斷開(kāi)環(huán)路求環(huán)路增益得到的從0°開(kāi)始降到-180°不同，所以這種情況下我們計算相位裕度的時(shí)候應該是參考0°而不是-180°。

3.環(huán)境搭建及測試結果

3.1測試設備

示波器: Siglent SDS6104 H12 Pro
信號源: Siglent SAG1021I
電源: Siglent SPD3303X
探頭: Siglent PP215 1X
被測件: Picotest VRTS v1.51

3.2測試接線(xiàn)

Picotest的VRTS v1.51是一款穩壓電源測試板，上面的電路是用TL431和分立晶體管所搭建的線(xiàn)性電源，上面有一個(gè)開(kāi)關(guān)可以切換輸出電容來(lái)獲得不同的環(huán)路響應，電路原理圖如圖 7。

測試VRTS v1.51上的電源環(huán)路響應時(shí)，TP3和TP4是注入點(diǎn)。接線(xiàn)的方法如圖 8和圖 9所示。信號源SAG1021I通過(guò)USB接到示波器上，輸出端夾子與注入電阻并聯(lián)，這樣信號注入到環(huán)路的同時(shí)，環(huán)路的直流工作點(diǎn)也不會(huì )被信號源和被測件的接地問(wèn)題所影響。TP3和TP4同時(shí)也要接到示波器上，其中TP3在Bode Plot Ⅱ中定義為DUT Output，TP4定義為DUT Input。

圖 8 接線(xiàn)圖

3.3儀器設置

這一小節主要介紹了完成本次測量所需的關(guān)鍵設置，關(guān)于Bode Plot 完整的使用說(shuō)明，請參考相關(guān)的用戶(hù)指南和快速指南。
在進(jìn)入Bode Plot 軟件之前，建議先把要用到的通道設置為20 MHz帶寬限制。本次測量的頻率范圍是10 Hz到100 kHz，這于一個(gè)預期的穿越頻率在10 kHz左右的電路來(lái)說(shuō)足夠了。
在Bode Plot 的主菜單按配置信息進(jìn)入配置菜單，編輯配置信息。進(jìn)行通道設置，將DUT輸入和DUT輸出設置到相應的通道上，設置好DUT輸入為C1，DUT輸出為C2。測試與SAG1021I的連接是否成功。將掃描類(lèi)型設置為可變幅度，設置掃描參數。將頻率模式設置為對數，在配置文件編輯里面建立5個(gè)結點(diǎn)，分別是10Hz，100Hz，1KHz，10KHz，100KHz，對應的幅度分別為1.9V，1.9V，80mV，80mV，1V，如下圖所示，將點(diǎn)數/十倍頻設置為40。

圖 10 Bode Plot 設置

3.4測試結果和數據分析

完成設置后，點(diǎn)擊運行開(kāi)始掃描，最終的掃描結果如圖 11所示。

掃描完成后，再次點(diǎn)擊運行可以停止掃描，點(diǎn)擊數據進(jìn)入數據列表菜單，打開(kāi)數據列表，點(diǎn)滾動(dòng)（或者直接在觸摸屏操作），可以使用萬(wàn)能旋鈕調節下標進(jìn)行相位裕度測量。

你還可以把數據導出到U盤(pán)上以便在其他設備上分析。
Tip：當增益曲線(xiàn)或者相頻曲線(xiàn)不光滑的時(shí)候，有可能是注入電壓過(guò)大或者不足導致C1/C2的波形失真，或者C1/C2電壓過(guò)小導致示波器檢測不出來(lái)，此時(shí)可以退出波特圖看該異常頻點(diǎn)的C1和C2的表現是否可以很好地在屏幕中看到清晰的跡線(xiàn)來(lái)判斷。如果C1和C2的跡線(xiàn)不能很好地顯示在屏幕上，可以根據自己需求來(lái)修改不同頻段中，SAG1021I的輸出幅度。

4.總結

鼎陽(yáng)科技提供的波特圖解決方案，配合SAG1021I，可以用于電源控制環(huán)路響應的測量，以經(jīng)濟的價(jià)格獲得理想的測試效果。

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