電源測試：穩(wěn)定性測量

作者：Bob Hanrahan德州儀器

此前，我已經(jīng)發(fā)表了有關(guān)如何測試電源設(shè)計的三篇文章中的前兩篇，即效率測量（第 1 篇）和噪聲測量（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)生的輸出錯誤問題。

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

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。將傳感信號與參考信號的差值進(jìn)行放大，然后用于控制穩(wěn)壓器的功率級，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制，才能適應(yīng)各種負(fù)載極限?？稍O(shè)計一款穩(wěn)壓器來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，相位延遲就可能增加到與內(nèi)部反饋點相同的相位點（也是從電源輸出返回的相位點）。這種相位反轉(zhuǎn)會產(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)部相位延遲的機制，通常通過具有幾個無源組件的外部補償網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。但在某些情況下，穩(wěn)壓器并不提供這種機制，必須在特定工作極限內(nèi)使用（各種負(fù)載極限下的最小／最大輸出阻抗）。無論哪種情況，都必須對電路進(jìn)行正確分析，才能確定是否有必要進(jìn)行設(shè)計調(diào)整。雖然可對環(huán)路特性進(jìn)行仿真，但卻很難實現(xiàn)對 PCB 與連接器阻抗等實際系統(tǒng)級特性進(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)行實際穩(wěn)定性測量，才能了解環(huán)路的實際穩(wěn)定性。

誠然，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)計可能運行良好，但電源內(nèi)的相位和增益裕度卻沒在原型測試中得到測試。如果設(shè)計人員能夠?qū)﹄娫吹姆€(wěn)定性進(jìn)行測試，就可在其造成更大生產(chǎn)成本問題之前找到并糾正該問題。

附錄：

經(jīng)常有人給我打電話問起測量升降壓反相設(shè)計穩(wěn)定性的問題（針對負(fù)輸出電壓配置的降壓穩(wěn)壓器）。這個問題通常與設(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注入點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。隔離注入點幾乎可以放在環(huán)路的任意位置，但是對于單端接收器探針而言卻不是這樣。探針參考接地的電勢必須低于探針本身，這樣二者才能更好的連接到負(fù)輸出電壓。為實現(xiàn)該目標(biāo)，我們必須確保在測試過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。參考針對特定工作及校準(zhǔn)流程的分析儀手冊。

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

我偶爾會發(fā)現(xiàn)有人因沒有準(zhǔn)確校準(zhǔn)頻率響應(yīng)分析儀，而導(dǎo)致波特圖錯誤。最常見的錯誤之一就是在校準(zhǔn)時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。