使用示波器測(cè)量電源的控制環(huán)路響應(yīng)

雖然可以使用專用設(shè)備執(zhí)行頻率響應(yīng)分析，但也可以使用較新的 示波器 來(lái)測(cè)量電源控制環(huán)路的響應(yīng)。使用示波器、信號(hào)源和自動(dòng)化軟件，可以快速進(jìn)行測(cè)量并以熟悉的波德圖呈現(xiàn)。這使得評(píng)估裕量并將電路性能與模型進(jìn)行比較變得容易。波德圖通過(guò)兩個(gè)圖繪制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)——幅值圖和相位圖（以度為單位的相移）。從這些圖中可以確定增益裕度和相位裕度以衡量電源穩(wěn)定性。

雖然可以使用專用設(shè)備執(zhí)行頻率響應(yīng)分析，但也可以使用較新的 示波器 來(lái)測(cè)量電源控制環(huán)路的響應(yīng)。使用示波器、信號(hào)源和自動(dòng)化軟件，可以快速進(jìn)行測(cè)量并以熟悉的波德圖呈現(xiàn)。這使得評(píng)估裕量并將電路性能與模型進(jìn)行比較變得容易。波德圖通過(guò)兩個(gè)圖繪制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)——幅值圖和相位圖（以度為單位的相移）。從這些圖中可以確定增益裕度和相位裕度以衡量電源穩(wěn)定性。
頻率響應(yīng)分析簡(jiǎn)介
系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是一個(gè)與頻率相關(guān)的函數(shù)，表示系統(tǒng)輸入（激勵(lì)）處特定頻率的參考信號(hào)（通常是正弦波形）如何通過(guò)系統(tǒng)傳輸。
圖 1 顯示了一個(gè)廣義控制回路，其中將正弦波 a(t) 應(yīng)用于具有傳遞函數(shù) G(s) 的系統(tǒng)。在初始條件引起的瞬變衰減后，輸出 b(t) 變成具有不同幅度 B 和相對(duì)相位 ω 的正弦波。輸出 b(t) 的幅度和相位實(shí)際上與輸入正弦波頻率 (Ω rad/s) 處的傳遞函數(shù) G(s) 有關(guān)。反饋系數(shù)“k”決定了輸入信號(hào)如何根據(jù)輸出端的負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖 1：具有傳遞函數(shù) G(s) 的廣義控制回路

輸入正弦信號(hào)以不同的幅度掃過(guò)一系列頻率，以了解系統(tǒng)行為。這有助于表示環(huán)路在一定頻率范圍內(nèi)的增益和相移，并提供有關(guān)控制環(huán)路速度和電源穩(wěn)定性的寶貴信息。通過(guò)順序測(cè)量不同頻率下的增益和相位，可以繪制增益和相位與頻率的關(guān)系圖。通過(guò)使用對(duì)數(shù)頻率標(biāo)度，繪圖可以覆蓋非常寬的頻率范圍。這些圖通常被稱為波德圖，因?yàn)樗鼈冇糜?Hendrik Wade Bode 開(kāi)創(chuàng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。博德本人在他 1940 年發(fā)表于貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊的文章“反饋放大器設(shè)計(jì)中衰減與相位之間的關(guān)系”中說(shuō)道。
電源設(shè)計(jì)中，控制環(huán)路測(cè)量有助于表征電源如何響應(yīng)輸出負(fù)載條件、輸入電壓變化、溫度變化等變化。理想的電源必須快速響應(yīng)并保持恒定輸出，而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度振鈴或振蕩。這通常通過(guò)控制電源和負(fù)載之間元件（通常是 MOSFET）的快速開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。與關(guān)閉時(shí)間相比，開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)間越長(zhǎng)，提供給負(fù)載的功率就越高。
不穩(wěn)定的電源或穩(wěn)壓器可能會(huì)振蕩，從而導(dǎo)致控制環(huán)路帶寬上出現(xiàn)非常大的表觀紋波。這種振蕩也可能導(dǎo)致 EMI 問(wèn)題。
使用自動(dòng)頻率響應(yīng)分析的示波器測(cè)量
通過(guò)在一定頻率范圍內(nèi)測(cè)量電路的實(shí)際增益和相位，我們可以獲得對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的信心——這比僅依靠仿真要好得多。
執(zhí)行控制回路響應(yīng)測(cè)量需要用戶在一定頻率范圍內(nèi)將刺激注入控制回路的反饋路徑。使用示波器、信號(hào)源和自動(dòng)化軟件，可以快速進(jìn)行測(cè)量并以熟悉的波德圖呈現(xiàn)。這使得評(píng)估裕量并將電路性能與模型進(jìn)行比較變得容易。
控制環(huán)路響應(yīng)測(cè)量的測(cè)試裝置如圖 2 所示。它包括測(cè)量軟件、函數(shù)發(fā)生器（內(nèi)置于示波器中）、注入/隔離變壓器、注入電阻器和兩個(gè)低衰減無(wú)源探頭。

圖 2：用于測(cè)量控制回路響應(yīng)的基于示波器的系統(tǒng)

現(xiàn)代示波器可以配備功率測(cè)量和分析軟件。該應(yīng)用軟件包括多種頻率響應(yīng)測(cè)量，包括：
控制回路響應(yīng)
電源抑制比 (PSRR)
阻抗
為了確定控制回路測(cè)量，分析軟件執(zhí)行以下重要功能：
控制函數(shù)發(fā)生器
根據(jù)兩個(gè)電壓輸入計(jì)算和繪制增益 (20 Log V OUT /V IN )，其中 V IN 是來(lái)自函數(shù)發(fā)生器的激勵(lì)電壓
根據(jù)兩個(gè)電壓輸入計(jì)算并繪制 V IN 和 V OUT之間的相移
計(jì)算增益和相位裕度
跨低值注入電阻器應(yīng)用的兩個(gè)探頭提供分析軟件所需的所有信息。它測(cè)量刺激和響應(yīng)幅度以計(jì)算增益和刺激與響應(yīng)之間的相位延遲。
要測(cè)量電力系統(tǒng)的響應(yīng)，必須將已知信號(hào)注入反饋回路。幾種泰克示波器提供內(nèi)置信號(hào)源，可用于通過(guò)隔離變壓器將信號(hào)注入環(huán)路反饋。對(duì)于此示例，任意波形/函數(shù)發(fā)生器在指定的頻率范圍內(nèi)生成正弦波。DC-DC 轉(zhuǎn)換器或 LDO 必須在其反饋環(huán)路中配置一個(gè)小 (5–10 Ω) 注入電阻器/終端電阻器，以將來(lái)自函數(shù)發(fā)生器的干擾信號(hào)注入環(huán)路。注入信號(hào)的振幅必須保持較低，以避免過(guò)度驅(qū)動(dòng)控制環(huán)路。
一個(gè)在寬帶寬上具有平坦響應(yīng)的注入變壓器連接在注入電阻兩端，將接地信號(hào)源與電源隔離。注入變壓器的選擇取決于感興趣的頻率。
建議將低電容和低衰減無(wú)源探頭（例如 TPP0502）用于電壓測(cè)量。低探頭衰減可實(shí)現(xiàn)良好的靈敏度。TPP0502 的 2X 衰減支持在 6 系列 MSO 上以 500 μV/div 的垂直靈敏度進(jìn)行測(cè)量，在 4 或 5 系列 MSO 上以 1 mV/div 的垂直靈敏度進(jìn)行測(cè)量。12.7 pF 的低電容可限度地減少探頭負(fù)載效應(yīng)。
圖 3 顯示波德圖（右上），掃描范圍為 10 Hz 至 20 MHz，以及頻譜視圖窗口（左側(cè)）。這些測(cè)量是在 5 系列 MSO 上進(jìn)行的。

圖 3：波德圖（右上）和頻譜視圖窗口（左）

結(jié)論
大多數(shù)電源和穩(wěn)壓器本質(zhì)上都是帶有閉環(huán)反饋的放大器?？刂骗h(huán)路測(cè)量有助于確保電源設(shè)計(jì)能夠響應(yīng)輸出負(fù)載條件的變化，而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度振鈴或振蕩。