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。控制環(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：

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。

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:

舉個例子：假設(shè)信號發(fā)生器AFG的幅度為250mV，AFG設(shè)置阻抗為50歐姆，那么AFG的戴維南等效電路為一個理想的電壓源500mV串聯(lián)一個50歐姆內(nèi)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：

1. 若沒有其它的要求，一般可以從電源輸出電壓的1/10~1/20開始，進(jìn)行試探;

2. 不能破壞環(huán)路的小信號條件;

3. 若開關(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(jié)果

注入不同幅度的大小影響測試結(jié)果，注入電壓太小，被淹沒在噪聲之中，低頻部分測不準(zhǔn)，而在高頻段， 情況剛好相反，注入電壓太大，高頻部分測試會出現(xiàn)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(zhǔn)確。

環(huán)路響應(yīng)測試連接圖

上圖是開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)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，串入一個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(xiàng)：建議使用1:1或2:1無源電壓探頭才能更好地降低示波器底噪和電源開關(guān)噪聲的影響，提高測試精度?？s短探頭的地線長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(nèi)置AFG輸出通過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連接到注入5歐姆電阻兩端，通過這個1:1注入變壓器將AFG輸出信號耦合到負(fù)反饋電路中去。

Step4：利用實(shí)時示波器環(huán)路響應(yīng)測試軟件完成自動測試，可得到開關(guān)電源增益曲線和相位曲線，并自動計(jì)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(fù)載進(jìn)行拉載，分別全載、半載、空載幾種情況下進(jìn)行測試。

環(huán)路響應(yīng)測試操作步驟

前面詳細(xì)講解了開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)實(shí)際測試連接步驟，下面是開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)測試軟件操作步驟。

Step1：點(diǎn)擊測量?Power?頻率響應(yīng)分析?控制環(huán)路響應(yīng);

Step2：設(shè)置輸入源和輸出源;

Step3：設(shè)置信號源類型和阻抗;

Step4：設(shè)置分析方式;

Step5：設(shè)置點(diǎn)數(shù)，注意：這個點(diǎn)數(shù)不是總點(diǎn)數(shù)，是每10倍頻的點(diǎn)數(shù)。舉個例子：點(diǎn)數(shù)設(shè)置20，那么頻率從100Hz至1kHz之間會測20個點(diǎn)，從1kHz至10kHz之間也會有20個點(diǎn)，每10倍頻會有20個點(diǎn)。

Step6：設(shè)置測試頻率范圍，設(shè)置起始頻率和終止頻率;

Step7：設(shè)置AFG幅度，不是注入串入電阻的實(shí)際幅度，實(shí)際在環(huán)路上的注入幅度需要計(jì)算，計(jì)算方法前面已經(jīng)詳細(xì)講解，假設(shè)AFG的幅度為250mV，AFG阻抗為50歐姆，注入電阻為5歐姆，那么實(shí)際注入幅度大致為45.45mV。幅度設(shè)置有恒定模式和列表模式，恒定幅度掃描在所有頻率上保持相同的幅度。列表模式可以自定義不同頻率范圍輸出不同的幅度，允許在不同頻段上指定不同的幅度，從而可以改善SNR。

Step8：點(diǎn)擊Power Preset，使上述設(shè)置生效;

Step9：點(diǎn)擊示波器面板上的Run按鈕開始測試。

測試結(jié)果分析

下面的開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)測試結(jié)果圖，可以看到兩條曲線，綠色的是增益曲線，紅色的是相位曲線。右邊的顯示測試結(jié)果，增益裕度和相位裕度，以及穿越頻率。綠色增益曲線越過0dB線，那么將顯示相位裕度43.25°，當(dāng)紅色相位曲線越過0°時，將顯示增益裕度53.26dB，穿越頻率(增益為0dB時對應(yīng)的頻率)為247kHz。我們還可以在波德圖上使用光標(biāo)，顯示任意頻率上的增益和相位，另外還會顯示兩個光標(biāo)之間的差，能夠有助于加快調(diào)試速度。

穿越頻率建議為開關(guān)頻率的5%至20%;相位裕度建議大于45°，建議45°至80°;增益裕度建議大于10dB。

總結(jié)

大多數(shù)電源和穩(wěn)壓器都有反饋環(huán)路，控制環(huán)路測量有助于確保電源能夠?qū)ω?fù)載作出響應(yīng)，而沒有過多的振鈴或振蕩。本文詳細(xì)介紹了利用實(shí)時示波器、函數(shù)發(fā)生器、自動化軟件、以及配合Picotest的1:1變壓器來測量電源控制環(huán)路的響應(yīng)，可以得到波德圖，增益裕度和相位裕度，穿越頻率。