電源測(cè)試：穩(wěn)定性測(cè)量

作者：Bob Hanrahan德州儀器

此前，我已經(jīng)發(fā)表了有關(guān)如何測(cè)試電源設(shè)計(jì)的三篇文章中的前兩篇，即效率測(cè)量（第 1 篇）和噪聲測(cè)量（第 2 篇）。文章主要涵蓋各種噪聲源以及如何使用示波器正確測(cè)量噪聲。此外，我還討論了由線路及負(fù)載瞬態(tài)產(chǎn)生的輸出錯(cuò)誤問(wèn)題。

今天，我要談?wù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源測(cè)試">電源測(cè)試的第三個(gè)也是最后一個(gè)指標(biāo)：穩(wěn)定性測(cè)量。

電源屬于閉環(huán)放大器，負(fù)責(zé)吸收電能并將其轉(zhuǎn)換成具有特定穩(wěn)壓和／或電流的另一種電能形式。電源的穩(wěn)壓原理是傳感輸出并將輸出的一部分與參考電壓相比較。將傳感信號(hào)與參考信號(hào)的差值進(jìn)行放大，然后用于控制穩(wěn)壓器的功率級(jí)，以保持電壓（或電流）恒定。（圖1）。

電源采用從輸出回到誤差放大器的負(fù)反饋確保其在各種工作條件下（負(fù)載變化、溫度變化以及輸入電壓變化等）的正確穩(wěn)壓。與任何穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)一樣，電源也必須確保在工作頻率或風(fēng)險(xiǎn)振蕩和／或其它不適應(yīng)特性下閉環(huán)增益小于 1。電源負(fù)反饋條件必須與輸入完全呈異相性或者構(gòu)建小于 1 的增益，才能確保正確的工作。

典型的穩(wěn)壓器 IC 可在設(shè)備內(nèi)提供必要的相位裕度，以確保穩(wěn)定的工作。與所有工程師一樣，IC 設(shè)計(jì)人員也需要進(jìn)行工作極限假設(shè)，并經(jīng)常提供用于調(diào)整內(nèi)部相位延遲的控制機(jī)制，才能適應(yīng)各種負(fù)載極限。可設(shè)計(jì)一款穩(wěn)壓器來(lái)提供具有額定輸出阻抗的 90 度相位裕度。但如果該阻抗電容性比預(yù)期的要強(qiáng)，相位延遲就可能增加到與內(nèi)部反饋點(diǎn)相同的相位點(diǎn)（也是從電源輸出返回的相位點(diǎn)）。這種相位反轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生增益大于 1 的正反饋（振蕩器公式）。我們都很清楚這在穩(wěn)壓器電路中是不合適的。

許多穩(wěn)壓器都提供用于調(diào)整內(nèi)部相位延遲的機(jī)制，通常通過(guò)具有幾個(gè)無(wú)源組件的外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在某些情況下，穩(wěn)壓器并不提供這種機(jī)制，必須在特定工作極限內(nèi)使用（各種負(fù)載極限下的最?。畲筝敵鲎杩梗?。無(wú)論哪種情況，都必須對(duì)電路進(jìn)行正確分析，才能確定是否有必要進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。雖然可對(duì)環(huán)路特性進(jìn)行仿真，但卻很難實(shí)現(xiàn)對(duì) PCB 與連接器阻抗等實(shí)際系統(tǒng)級(jí)特性進(jìn)行精確建模，尤其是使用較低成本的仿真工具。因此必須進(jìn)行實(shí)際穩(wěn)定性測(cè)量，才能了解環(huán)路的實(shí)際穩(wěn)定性。

誠(chéng)然，我已經(jīng)了解了系統(tǒng)投入生產(chǎn)的許多情況，其在生產(chǎn)后期因環(huán)境變化和／或工作極限條件而變得不穩(wěn)定。在這些情況下，原型設(shè)計(jì)可能運(yùn)行良好，但電源內(nèi)的相位和增益裕度卻沒(méi)在原型測(cè)試中得到測(cè)試。如果設(shè)計(jì)人員能夠?qū)﹄娫吹姆€(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，就可在其造成更大生產(chǎn)成本問(wèn)題之前找到并糾正該問(wèn)題。

附錄：

經(jīng)常有人給我打電話問(wèn)起測(cè)量升降壓反相設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的問(wèn)題（針對(duì)負(fù)輸出電壓配置的降壓穩(wěn)壓器）。這個(gè)問(wèn)題通常與設(shè)備至目標(biāo)系統(tǒng)之間的連接有關(guān)。為了更好地理解差動(dòng)注入點(diǎn)以及單端接收器輸入的正確連接，我經(jīng)常需要繪制控制環(huán)路電路圖，這可使連接的最佳位置顯而易見。隔離注入點(diǎn)幾乎可以放在環(huán)路的任意位置，但是對(duì)于單端接收器探針而言卻不是這樣。探針參考接地的電勢(shì)必須低于探針本身，這樣二者才能更好的連接到負(fù)輸出電壓。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，我們必須確保在測(cè)試過(guò)程中儀器接地與該電路的隔離。如果分析儀接地連接至底座接地，探針連接可能會(huì)使連接至接地的負(fù)輸出電壓電路短路。查看下圖中的探針連接。參考針對(duì)特定工作及校準(zhǔn)流程的分析儀手冊(cè)。

下載圖片的 pdf 文件：7725.Buck_Boost_Invert_Stability.pdf。

我偶爾會(huì)發(fā)現(xiàn)有人因沒(méi)有準(zhǔn)確校準(zhǔn)頻率響應(yīng)分析儀，而導(dǎo)致波特圖錯(cuò)誤。最常見的錯(cuò)誤之一就是在校準(zhǔn)時(shí)使用隔離變壓器卻忽略了控制環(huán)路。為此，我繪制了以下電路圖供大家參考。查看特定設(shè)備的校準(zhǔn)程序。

您可在這里下載該圖片的 pdf 文件：4073.Calibrating_FRA.pdf.pdf。