我們都知道，衡量開關(guān)電源穩(wěn)定性的指標是相位裕度和增益裕度。同時穿越頻率，也應(yīng)作為一個參考指標。相位裕度指的是增益降到0dB時所對應(yīng)的相位，增益裕度指的是相位為0deg時所對應(yīng)的增益大小(實際是衰減)，穿越頻率指的是增益為0dB時所對應(yīng)的頻率值。今天就來跟大家分享一下示波器測試“電源環(huán)路穩(wěn)定性”的方法。
1.穩(wěn)定性測量
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)定的兩個條件：1)G(S)H(S)的相位為180°2)增益幅值 |G(s)H(s)|=1當兩個條件同時滿足，環(huán)路不穩(wěn)定。 我們可以畫出系統(tǒng)環(huán)路增益的波特圖來評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表達系統(tǒng)穩(wěn)定性常用的增益裕度和相位裕度指標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）的時候，相位距離-180°還有多少；增益裕度則是相位到達-180°的時候，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，相位小于180°。
波特圖，增益裕度，相位裕度
1.2 斷開環(huán)路
我們只需要簡單的把環(huán)路斷開就可以得到環(huán)路增益。如圖展示了如何在反饋系統(tǒng)中把環(huán)路斷開，理論計算時你可以從任何地方把環(huán)路斷開，不過我們通常選擇在輸出和反饋之間把環(huán)路斷開。斷開環(huán)路后，我們在斷點處注入一個測試信號i，i 經(jīng)過環(huán)路一周后到達輸出得到信號Vo，Vo和 i 的數(shù)學關(guān)系式就是我們要求的環(huán)路增益。
1.3 環(huán)路注入
現(xiàn)實中反饋環(huán)路往往起到了穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點的作用，所以我們不能簡單的把環(huán)路斷開去測環(huán)路增益。反饋環(huán)斷開后，電路因為輸入失調(diào)等原因，輸出會直接飽和，這種情況下無法進行任何有意義的測量。為了克服這個問題，我們必須在閉環(huán)的情況下進行測量，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，我們對注入點的選取有特殊的要求，一般要讓從注入點一端看進去的阻抗遠遠大于另一端看進去的阻抗，一個比較理想的注入點是 輸出和反饋網(wǎng)絡(luò)之間，其他注入點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)，我們在注入點的位置插入一個很小的電阻而不是把環(huán)路在注入點斷開，注入信號將通過這個注入電阻注入到環(huán)路中去。這個注入電阻的取值要足夠的小，通常要遠遠小于反饋網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗，這樣才能保證注入電阻對反饋環(huán)路的影響可以忽略不計。Picotest建議當使用 J2100A 型變壓器或直接使用 Siglent SAG1021I 時，使用4.99 Ω的注入電阻，當然適當大一點的注入電阻也是可以的。另外一方面，因為注入電阻和注入變壓器并聯(lián)，小一點的注入電阻能降低變壓器工作的下限頻率，這在需要測量極低頻率的時候非常有用。原則上信號的注入不能影響環(huán)路的靜態(tài)工作點，為了解決現(xiàn)實的電路中信號源和被測件共地的問題，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源。
注入信號從注入電阻的一端注入到環(huán)路中，經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器和功率晶體管到達輸出，也就是注入電阻的另一端。這樣輸出信號Vo 和注入信號i 的數(shù)學關(guān)系就是我們要求的環(huán)路增益。
需要注意的是我們在閉環(huán)的情況下測量開環(huán)參數(shù)，測試結(jié)果的相位會從180°開始逐步將到0°，這與理論上直接斷開環(huán)路求環(huán)路增益得到的從0°開始降到-180°不同，所以這種情況下我們計算相位裕度的時候應(yīng)該是參考0°而不是-180°。
2.環(huán)境搭建與測試結(jié)果
2.1 測試設(shè)備
示波器: Siglent SDS1204X-E信號源: Siglent SAG1021I電源: ZHAOXIN RXN-305D探頭: Siglent PP215 1X被測件: JWH6346 DEMO板（BUCK）電子負載：Dingchen DCL6104
2.2 測試接線
JWH6346 DEMO板是一款穩(wěn)壓電源測試板，上面的電路是用JWH6346同步降壓調(diào)節(jié)器控制器和NMOS管、電感組成的開關(guān)電源電路。電路原理圖如圖。
測試 JWH6346 DEMO板上的電源環(huán)路響應(yīng)時，R16兩端是注入點。接線的方法如圖所示。信號源 SAG1021I通過 USB 接到示波器上，輸出端夾子與注入電阻并聯(lián)，這樣信號注入到環(huán)路的同時，環(huán)路的直流工作點也不會被信號源和被測件的接地問題所影響。注入電阻兩端同時也要接到示波器上，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量所需的關(guān)鍵設(shè)置，關(guān)于 BodePlot 完整的使用說明，在進入 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。本次測量的頻率范圍是 10 Hz 到 100 kHz，這于一個預(yù)期的穿越頻率在 10 kHz 左右的電路來說足夠了。在 Bode Plot 的主菜單按配置信息進入配置菜單，編輯配置信息。進行通道設(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)置為對數(shù)，在配置文件編輯里面建立5 個結(jié)點，分別是 10Hz，100Hz，1KHz，10KHz，100KHz，對應(yīng)的幅度分別為 1.9V，1.9V，80mV，80mV，1V，如下圖所示，將點數(shù)/十倍頻設(shè)置為 40。當增益曲線或者相頻曲線不光滑的時候，有可能是注入電壓過大或者不足導致 C1/C2 的波形失真，或者 C1/C2 電壓過小導致示波器檢測不出來，此時可以退出波特圖看該異常頻點的 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)自己需求來修改不同頻段中，SAG1021I 的輸出幅度。
Bode Plot 設(shè)置
2.4測試結(jié)果分析
1、1A 負載：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。
