我們都知道，衡量開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性的指標(biāo)是相位裕度和增益裕度。同時(shí)穿越頻率，也應(yīng)作為一個(gè)參考指標(biāo)。相位裕度指的是增益降到0dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的相位，增益裕度指的是相位為0deg時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益大小(實(shí)際是衰減)，穿越頻率指的是增益為0dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值。今天就來(lái)跟大家分享一下示波器測(cè)試“電源環(huán)路穩(wěn)定性”的方法。
1.穩(wěn)定性測(cè)量
1.1 反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性
這里可以總結(jié)，環(huán)路不穩(wěn)定的兩個(gè)條件：1)G(S)H(S)的相位為180°2)增益幅值 |G(s)H(s)|=1當(dāng)兩個(gè)條件同時(shí)滿足，環(huán)路不穩(wěn)定。 我們可以畫(huà)出系統(tǒng)環(huán)路增益的波特圖來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性常用的增益裕度和相位裕度指標(biāo)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(dá)-180°的時(shí)候，增益比 1（或者 0 dB）少了多少。需要在相位為180°，增益小于1 或者增益為1時(shí)，相位小于180°。
波特圖，增益裕度，相位裕度
1.2 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。如圖展示了如何在反饋系統(tǒng)中把環(huán)路斷開(kāi)，理論計(jì)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?cè)跀帱c(diǎn)處注入一個(gè)測(cè)試信號(hào)i，i 經(jīng)過(guò)環(huán)路一周后到達(dá)輸出得到信號(hào)Vo，Vo和 i 的數(shù)學(xué)關(guān)系式就是我們要求的環(huán)路增益。
1.3 環(huán)路注入
現(xiàn)實(shí)中反饋環(huán)路往往起到了穩(wěn)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(cè)環(huán)路增益。反饋環(huán)斷開(kāi)后，電路因?yàn)檩斎胧д{(diào)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(cè)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(cè)量，一種可行的手段是環(huán)路注入。下圖展示了典型的環(huán)路注入方法。為了盡可能降低誤差，我們對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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。
為了維持閉環(huán)，我們?cè)谧⑷朦c(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(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于反饋網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，這樣才能保證注入電阻對(duì)反饋環(huán)路的影響可以忽略不計(jì)。Picotest建議當(dāng)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(dāng)然適當(dāng)大一點(diǎn)的注入電阻也是可以的。另外一方面，因?yàn)樽⑷腚娮韬妥⑷胱儔浩鞑⒙?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(cè)量極低頻率的時(shí)候非常有用。原則上信號(hào)的注入不能影響環(huán)路的靜態(tài)工作點(diǎn)，為了解決現(xiàn)實(shí)的電路中信號(hào)源和被測(cè)件共地的問(wèn)題，往往需要使用注入變壓器，如圖 6 所示。或者直接使用帶隔離的信號(hào)源。
注入信號(hào)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(dá)輸出，也就是注入電阻的另一端。這樣輸出信號(hào)Vo 和注入信號(hào)i 的數(shù)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?cè)陂]環(huán)的情況下測(cè)量開(kāi)環(huán)參數(shù)，測(cè)試結(jié)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(jì)算相位裕度的時(shí)候應(yīng)該是參考0°而不是-180°。
2.環(huán)境搭建與測(cè)試結(jié)果
2.1 測(cè)試設(shè)備
示波器: Siglent SDS1204X-E信號(hào)源: Siglent SAG1021I電源: ZHAOXIN RXN-305D探頭: Siglent PP215 1X被測(cè)件: JWH6346 DEMO板（BUCK）電子負(fù)載：Dingchen DCL6104
2.2 測(cè)試接線
JWH6346 DEMO板是一款穩(wěn)壓電源測(cè)試板，上面的電路是用JWH6346同步降壓調(diào)節(jié)器控制器和NMOS管、電感組成的開(kāi)關(guān)電源電路。電路原理圖如圖。
測(cè)試 JWH6346 DEMO板上的電源環(huán)路響應(yīng)時(shí)，R16兩端是注入點(diǎn)。接線的方法如圖所示。信號(hào)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(hào)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(hào)源和被測(cè)件的接地問(wèn)題所影響。注入電阻兩端同時(shí)也要接到示波器上，其中R16的連接VOUT的一端接在 Bode Plot Ⅱ中定義為 DUT Output，R16的另外一端定義為 DUTInput。
2.3儀器設(shè)置
這一小節(jié)主要介紹了完成本次測(cè)量所需的關(guān)鍵設(shè)置，關(guān)于 BodePlot 完整的使用說(shuō)明，在進(jìn)入 Bode Plot 軟件之前，建議先把要用到的通道設(shè)置為 20 MHz 帶寬限制。本次測(cè)量的頻率范圍是 10 Hz 到 100 kHz，這于一個(gè)預(yù)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(shè)置，將 DUT 輸 入和 DUT 輸出設(shè)置到相應(yīng)的通道上，設(shè)置好 DUT 輸入為 C1，DUT 輸出為C2。測(cè)試與 SAG1021I 的連接是否成功。將掃描類型設(shè)置為可變幅度，設(shè)置掃描參數(shù)。將頻率模式設(shè)置為對(duì)數(shù)，在配置文件編輯里面建立5 個(gè)結(jié)點(diǎn)，分別是 10Hz，100Hz，1KHz，10KHz，100KHz，對(duì)應(yīng)的幅度分別為 1.9V，1.9V，80mV，80mV，1V，如下圖所示，將點(diǎn)數(shù)/十倍頻設(shè)置為 40。當(dāng)增益曲線或者相頻曲線不光滑的時(shí)候，有可能是注入電壓過(guò)大或者不足導(dǎo)致 C1/C2 的波形失真，或者 C1/C2 電壓過(guò)小導(dǎo)致示波器檢測(cè)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(xiàn)是否可以很好地在屏幕中看到清晰的跡線來(lái)判斷。如果C1 和 C2 的跡 線不能很好地顯示在屏幕上，可以根據(jù)自己需求來(lái)修改不同頻段中，SAG1021I 的輸出幅度。
Bode Plot 設(shè)置
2.4測(cè)試結(jié)果分析
1、1A 負(fù)載：0增益，穿越頻率在1.4k左右，相位裕度為99°左右，電源系統(tǒng)穩(wěn)定。
2、5A 負(fù)載：0增益，穿越頻率在12.6k左右，相位裕度為113°左右，電源系統(tǒng)穩(wěn)定。
