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開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)（伯德圖）測試

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2022-03-18 02:32:28 3

示波器是最重要的電源測試和表征工具。目前，許多示波器都可以提供專用的電源測量選件，以幫助工程師自動完成很多重要測試，例如是德科技InfiniiVision X 系列示波器。電源不僅僅需要進(jìn)行時域的測量，頻域的測量也至關(guān)重要。頻率響應(yīng)測量包括控制環(huán)路響應(yīng)（伯德圖）和電源抑制比（PSRR）。此類特定的激勵響應(yīng)測量通常是由低頻網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，但是一些新的示波器內(nèi)置了函數(shù)/ 任意波形發(fā)生器，所以也可用于此類測量。下面就介紹一下開關(guān)電源環(huán)路相應(yīng)測試。

控制環(huán)路響應(yīng)（伯德圖）

電源實(shí)際上是一個包含了負(fù)反饋控制環(huán)路的放大器，如圖1所示。這意味著雖然您可以把電源看作是一個直流放大器，但它實(shí)際上會放大交流信號并對輸出條件的變化做出響應(yīng)，比如負(fù)載變化。

為了實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路響應(yīng)測試，就需要注入一個誤差信號到控制環(huán)路的反饋路徑中。在圖1中，這個反饋路徑就是指 R1 和 R2 的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。需要把一個較小的電阻器串聯(lián)到反饋環(huán)路中，才能注入一個誤差信號。原理圖中顯示的這個5ohm注入電阻與R1和R2串聯(lián)阻抗相比是微不足道的。所以，也許可以考慮把這個低阻值注入電阻（Rinj）作為長久使用的測試器件。另外使用一個注入變壓器（例如 Picotest J2101A）來隔離這個交流干擾信號，從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。

此處的測量系統(tǒng)是一臺內(nèi)置 WaveGen 函數(shù)/任意波形發(fā)生器的示波器，可以測量在反饋網(wǎng)絡(luò)（Vin）的頂部和電源直流輸出（Vout）上的交流電壓電平。示波器還可以計算在掃描頻段內(nèi)每個測試頻率點(diǎn)上的增益，dB=20Log(Vout/Vin)。同時還測量Vin和Vout之間的相位差。

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圖 1：環(huán)路響應(yīng)測試時電源閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)和示波器連接設(shè)置

輸入和輸出探測

嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確的測試技術(shù)是環(huán)路響應(yīng)測試的必備條件。Vin和Vout在某些測試頻率點(diǎn)上的紋波電壓非常的小，很容易被示波器本底噪聲或者待測電源自身噪聲所淹沒，提高測試的信噪比可以提高頻率響應(yīng)測試的動態(tài)范圍。盡管大部分示波器都標(biāo)配10:1無源探頭，但是使用1:1無源探頭才能更好的降低示波器底噪和電源開關(guān)噪聲的影響，進(jìn)而提高測試信噪比。如果使用是德科技的示波器，推薦使用35MHz帶寬的1:1無源探頭N2780A進(jìn)行環(huán)路響應(yīng)測試。

縮短探頭的地線長度對這個測試也很有幫助。探頭標(biāo)配的接地線有些時候會像天線一樣吸收開關(guān)噪聲，如果在Vin和Vout測試點(diǎn)附近有接線柱，可以去掉標(biāo)配的長地線和探頭帽，然后如圖2所示直接把探頭前端的探針和地斜靠在接線柱上。如果沒有接線柱，在PCB上找到一個較近的接地點(diǎn)，然后利用無源探頭附帶的彈簧地線附件做一個較短的地線連接，或者設(shè)計時預(yù)留一個探頭接口在PCB板上，可以獲得最佳的低噪聲地線連接同時不需要用手固定探頭。

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圖 2：使用短地線測量可以在環(huán)路響應(yīng)測試中提供最好的信噪比

執(zhí)行環(huán)路響應(yīng)測量

圖 3 展示了對一個開關(guān)電源評估板進(jìn)行環(huán)路響應(yīng)測試時需要配置的隔離變壓器和1:1無源探頭，隔離變壓器使用的是Picotest的N2101A注入變壓器。這個電源測試板設(shè)計時已經(jīng)在反饋回路中放置了5Ω注入電阻。

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圖 3：環(huán)路響應(yīng)測試隔離變壓器和1:1無源探頭的配置

環(huán)路響應(yīng)測試需要使用一個帶有電源測試選件的示波器（以InfiniiVision X系列的示波器帶的軟件為例），*步先在電源測試項目列表里選擇環(huán)響應(yīng)測試，然后選擇如圖4所示的設(shè)置&應(yīng)用菜單，我們先用固定 200mVpp 峰峰值和50Ω阻抗的默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行這項測試，由于隔離變壓器連接的注入電阻只有5Ω，實(shí)際上加在注入電阻上的電壓只有36mVpp左右。

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圖 4：環(huán)路響應(yīng)測試參數(shù)設(shè)置

請注意大部分頻率響應(yīng)分析儀或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置注入電壓時是Vrms或者dBm并且是基于50Ω注入電阻，如果您要對比不同設(shè)備的測試結(jié)果（示波器，頻率響應(yīng)分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀），即便是在電壓單位不同的時候（Vpp，Vrms，dBm），也要務(wù)必確保注入電壓設(shè)置是相同的。

設(shè)置好測試參數(shù)之后直接點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕，如圖5所示，藍(lán)綠色和橙色分別為增益和相位在100Hz到20MHz掃描頻段內(nèi)的曲線。示波器還在屏幕左下角自動顯示相位裕度（PM）和增益裕度（GM）測試結(jié)果。

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圖 5：環(huán)路響應(yīng)測試在固定注入電壓的增益曲線和相位曲線

我們可以看到測試結(jié)果中低頻時增益和相位結(jié)果有抖動，這種結(jié)果說明在這種頻率下信噪比可能太低了。一個簡單的提高信噪比的方法是把所有頻段的注入電壓幅值提高。但是提高注入電壓可能會造成信號失真或者0dB穿越時對應(yīng)的相位裕度結(jié)果不對。

一個比較好的提高信噪比的方法是利用圖6所示的測量工具里的幅值配置功能來定制不同的注入電壓，通過幅值配置功能，您可以在待測電源敏感的頻率段使用低幅值注入電壓，在待測電源不敏感的頻率段使用高幅值注入電壓。開關(guān)電源反饋網(wǎng)絡(luò)一般在0dB穿越點(diǎn)附近最敏感，我們測的這個電源板是60KHz左右。

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圖 6：利用幅度配置優(yōu)化信噪比

圖7展示了通過定制注入電壓后的環(huán)路響應(yīng)增益和相位的測試結(jié)果，可以看到因為信噪比不夠造成的測試結(jié)果抖動明顯變得很小。

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圖 7：優(yōu)化注入電壓配置后增益和相位測試結(jié)果

如何確定最適合的注入電壓呢？有工程師建議開始時用一個相對高的注入電壓進(jìn)行測試，然后逐漸降低幅值進(jìn)行多次測試，直到0dB穿越頻率穩(wěn)定在某個頻率點(diǎn)。頻率響應(yīng)測試一般多次的重復(fù)測試迭代出合適的注入電壓以得到最好的動態(tài)范圍。

也可以使用示波器進(jìn)行單個頻率點(diǎn)的相位和增益測量，例如在預(yù)計的0dB穿越頻率附近的某個頻率點(diǎn)，然后在示波器的波形發(fā)生器設(shè)置菜單里手工調(diào)整注入信號的電壓和頻率同時可以直觀地觀察實(shí)時波形的變化。

例如像圖5那樣以一個固定的低注入電壓運(yùn)行整個掃頻范圍的測試來確定大概的0dB穿越頻率。在這個例子中我們知道0dB穿越頻率是62KHz左右，然后運(yùn)行62KHz單個頻率點(diǎn)的測試并且逐漸升高注入電壓直到觀察到信號失真。一旦決定了0dB穿越頻率附近的最大注入電壓，就可以簡單地在所有頻段內(nèi)使用注入電壓。就可以在不同的頻率點(diǎn)進(jìn)行更多的單頻率點(diǎn)測試以優(yōu)化低頻或者高頻時的注入電壓幅度。

總結(jié)

示波器是當(dāng)今工程師測試和表征電源設(shè)計最基礎(chǔ)的測量設(shè)備。現(xiàn)在不僅僅可以利用示波器測量時域的紋波、噪聲，還可以進(jìn)行控制環(huán)路響應(yīng)（伯德圖）和電源抑制比（PSRR）的等頻域參數(shù)。

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