【泰享實(shí)測之水哥秘笈】：電源測試的人間煙火，深入淺出談環(huán)路響應(yīng)測試！

時間：2023-04-13 15:05:25

關(guān)鍵字：示波器開關(guān)電源

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[導(dǎo)讀]本文主要介紹了如何利用高精度實(shí)時示波器進(jìn)行電源控制環(huán)路響應(yīng)測試。

開關(guān)電源為什么要測控制環(huán)路響應(yīng)

當(dāng)你發(fā)現(xiàn)信號完整性不好時，會不會是電源完整性帶來的問題？當(dāng)你發(fā)現(xiàn)時鐘抖動很大時，會不會是電源質(zhì)量不好？當(dāng)你發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有誤碼時，會不會是電源的控制環(huán)路不穩(wěn)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(yīng)，讓你的電源也有詩和遠(yuǎn)方。

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

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。

開關(guān)電源是一種高頻開關(guān)式的能量變換電子電路，經(jīng)常作為設(shè)備的電源供應(yīng)，為保證輸出對輸入的準(zhǔn)確響應(yīng)，負(fù)反饋技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電源穩(wěn)壓器、穩(wěn)壓器、電壓基準(zhǔn)芯片、運(yùn)算放大器以及其它電子電路中。就電源穩(wěn)壓器來說，輸入為一個準(zhǔn)確的電壓基準(zhǔn)，負(fù)反饋的作用是通過取樣輸出電壓與輸入電壓基準(zhǔn)比較，存在差異或不正確信號時，進(jìn)行放大并修正輸出。當(dāng)反饋環(huán)路穩(wěn)定下來，輸出將收斂于準(zhǔn)確的電壓值。當(dāng)反饋環(huán)路處于非穩(wěn)態(tài)時，那么輸出結(jié)果將偏離或持續(xù)振蕩。

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

負(fù)反饋環(huán)路的好壞直接影響電源平穩(wěn)輸出的能力，因此開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)測試非常重要，大多數(shù)工程師都是基于其產(chǎn)品輸出性能指標(biāo)來反推環(huán)路特性，因此無法得到實(shí)際的環(huán)路增益曲線做針對性的電路整改，也無法判斷相位裕度是否合適，最終導(dǎo)致無法保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。因此，要關(guān)注控制環(huán)路穩(wěn)定性，必須要對開關(guān)電源的控制環(huán)路響應(yīng)進(jìn)行測試和驗(yàn)證。

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

開關(guān)電源負(fù)反饋系統(tǒng)

在電源設(shè)計(jì)中，控制環(huán)路測量有助于表征電源對輸出負(fù)載條件變化、輸入電壓變化、溫度變化等怎樣作出響應(yīng)。理想的電源響應(yīng)快，保持恒定輸出，而又不會有過多的振鈴或振蕩。這通常通過控制電源和負(fù)載之間元器件（一般是MOSFET）的快速開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。不穩(wěn)定的電源或穩(wěn)壓器可能會振蕩，導(dǎo)致控制環(huán)路帶寬上出現(xiàn)非常大的明顯紋波，這種振蕩還可能會導(dǎo)致EMI問題。

上圖是電源的環(huán)路響應(yīng)測試的等效框圖，其中A(jω)為負(fù)反饋系統(tǒng)中的輸入，R(jω)為負(fù)反饋系統(tǒng)的輸出，D(jω)為反饋量，E(jω)為誤差信號；通過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可計(jì)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(yīng)（Closed-loop Response），稱T(jω)=P(jω)Q(jω)為開環(huán)響應(yīng)（Open-loop Response），簡稱環(huán)路響應(yīng)（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(fù)反饋系統(tǒng)一直保持其負(fù)反饋的特性，從而得到我們所需的輸出，可是負(fù)反饋系統(tǒng)并不總是能保持負(fù)反饋的特性。系統(tǒng)在所需范圍內(nèi)保持負(fù)反饋的特性的能力稱為穩(wěn)定性。系統(tǒng)不穩(wěn)定的數(shù)學(xué)條件為：

T(jω)=P(jω)Q(jω)=-1

上面的數(shù)學(xué)條件對于工程來說，太嚴(yán)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的時候，相位不能等于-180°。此時離-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，增益不能為1(0dB)。此時離增益為1的距離即為增益裕度，即-20lg|P(jω)Q(jω)|@ ∠P(jω)Q(jω)=-180°。

使用開環(huán)響應(yīng)來評價閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常利用伯德圖表示，簡單直觀，易于工程操作，廣受歡迎。

電源環(huán)路穩(wěn)定性的指標(biāo)

何評定開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)穩(wěn)定的指標(biāo)？開環(huán)特性是一個重要的參數(shù)，表征負(fù)反饋系的穩(wěn)定性，一般利用相位裕度（Phase Margin）和增益裕度（Gain Margin）來評定。下面來看看相位裕度、增益裕度、穿越頻率（Crossover Frequency）的定義。

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

（2）增益裕度：增益曲線在相頻曲線達(dá)到-180°的頻率處對應(yīng)的增益，即φ=-180°時，增益裕度=0-增益Gain(dB)。

（3）穿越頻率：增益為0dB時所對應(yīng)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輸出電壓的5%，否則測出來的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。

工程中一般認(rèn)為在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下，開環(huán)回路增益為0dB（無增益）的情況下，環(huán)路的相位裕量要求大于45°，以確保系統(tǒng)在各種誤差和參數(shù)變化情況下的穩(wěn)定性。當(dāng)負(fù)載特性、輸入電壓變化較大時，需考慮在所有負(fù)載狀況下以及輸入電壓范圍內(nèi)的環(huán)路相位裕量應(yīng)大于30°。穿越頻率，又稱為頻帶寬度，頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應(yīng)的快慢。一般認(rèn)為帶寬越寬，其對負(fù)載動態(tài)響應(yīng)的抑制能力就越好，過沖、欠沖越小，恢復(fù)時間也就越快，系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點(diǎn)的影響，以及原材料、運(yùn)放的帶寬不可能無窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無限制提高，一般取開關(guān)頻率的1/20至1/6。增益裕量表示控制系統(tǒng)保持穩(wěn)定條件下所能承受的最大增益擾動。

環(huán)路響應(yīng)測試需要的設(shè)備

利用示波器進(jìn)行電源的環(huán)路響應(yīng)測試，首先需要一臺高精度實(shí)時示波器；其次需要信號源，可以內(nèi)置在實(shí)時示波器的函數(shù)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，通過這個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(yīng)測試中的信號注入

1、如何完成信號注入

從上圖，直觀上講，這個時候應(yīng)該環(huán)路響應(yīng)為：V_y/V_x=-T(s)，負(fù)號的產(chǎn)生來自負(fù)反饋，實(shí)際情況比這個直觀結(jié)果稍微復(fù)雜一些。等效電路基于一個簡單的事實(shí)：Vinj=Vy-Vx。

2、信號注入位置的選擇

要完成環(huán)路響應(yīng)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，見下圖紅色的部分。Vinj=Vy

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(wěn)態(tài)值。實(shí)際上是要求一個小的注入電阻。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(dāng)信號源設(shè)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(shè)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(shù)比為1:1，注入幅度Vinj與AFG的輸出幅度VAFG之間的關(guān)系見下面的公式: