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利用示波器完成伯德圖分析的方法
閱讀：430 發布時間：2024-7-13電源是現代工業必然的一部分，為了更加貼合使用者的需求—效率更高、噪聲更小的產品，不僅要考慮到開關損耗、輸入電源質量、輸出紋波測試等之外，還會涉及到環路響應測試。
環路響應測試能夠輔助使用者判斷開關電源的穩定性，采用伯德圖來查看電源控制環路在不同頻率下的增益與相位，是一種被普遍使用的高效且直觀的判斷環路穩定性的方法。傳統方法的缺點則是要使用網絡分析儀或是專有的設備來進行測試，可采用這種方法進行測試的話其測試成本便會很高。因此推薦采用電源開發工程師現有的示波器設備來完成環路響應測試。
一、測環路響應
在電源設計中，控制環路測量有利于表征電源對輸出負載條件變化、輸入電壓變化、溫度變化等及時作出響應。理想的電源一定要具備以下優勢：響應快，保持恒定輸出，同時不會有過多的振鈴或是振蕩。這一般是利用控制電源與負載之間元器件（通常是MOSFET）的快速開關來完成的。開關打開的時間相對關閉的時間越長，為負載提供的功率便會更高。
為了解此系統的優勢，我們以變化幅度在頻率范圍內掃描輸入正弦曲線信號。此步驟有利于表示在某個頻率范圍內獲得的環路的增益與相位，提供與控制環路和電源穩定性相關的關鍵信息。利用順序測量各個頻率上的增益與相位，便能夠繪制增益與相位相對于頻率關系圖。采用使用對數頻率標度，這些圖便能覆蓋非常寬的頻率范圍，同時也通常稱為Bode圖。
因此采用測試環路響應能夠快速直觀的評價閉環系統的穩定性。
二、環路響應指標
關于開關電源環路響應時常用到相位裕度、增益裕度與穿越頻率三個參數的詳細解釋如下：
(1) 相位裕度：增益降至0dB的情況下，此時離-180°的距離便為相位裕度，即增益Gain=0dB的情況下，相位裕度=φ-(-180°)。
(2) 增益裕度：增益曲線在相頻曲線達到-180°的頻率處對應的增益，即φ=-180°時，增益裕度=0-增益Gain(dB)。
(3) 穿越頻率：增益為0dB的情況下相對應的頻率值。
【bode圖的示例圖】
1、相位裕度：在定義上只要大于零則系統為穩定狀態，可在實際工程中為了保障系統在各種誤差與參數變化情況下依然可以保持穩定，通常要求相位裕度大于45°。
2、增益裕度：增益裕量表示控制系統保持穩定條件下所能承受的大增益擾動，為了保障在各種工況下均能保持穩定通常需要大于10dB。
3、穿越頻率：一般穿越頻率越高，系統的快速性越強，那么對負載動態響應的抑制能力便會越好，過沖、欠沖越小，恢復時間也會越快。假設穿越頻率過高，將會導致系統抗擾性降低。因此建議穿越頻率為開關頻率的5%-20%。
三、測試時用到的軟硬件
1、示波器：4系、5系或是6系MSO能夠配備高等級功率測量與分析軟件 (4/5/6-PWR)。
2、PWR選件：此應用軟件支持多種頻響測量，包含：控制環路響應、電源抑制比 (PSRR)等。
3、AFG選件：用于掃頻輸出。
4、電壓探頭：1:1或是2:1無源探頭。
5、隔離變壓器：J2100A orJ2101A用于控制環路測量。
四、環路響應的信號注入
信號注入詳細解析圖如下所示：
此時上圖的環路響應為：
根據上述公式可知等效電路為：Vinj = Vy-Vx。
（一）挑選合適的注入點
實際上，不能在環路的任意位置插入注入電阻;對于注入位置有一定的要求;根據上圖看到的三個位置是常見的注入位置，其中在feedback network上方加電阻是常使用的注入方式。
假設電源功率很大，在feedback network上方加電阻，其通過的電壓自身便會很大，此時使用AFG注入的電壓與之對比將會變得十分小，很難準確的掃描出bode圖，因此300V以上的電源系統應要在補償之后，反饋電阻之前注入。
（二）選擇注入電阻的大小和注入幅度方法
在上述內容中說完注入位置的選擇后，下一個問題便是注入電阻值為多少?在此需要注意以下問題：
1、核心原則:注入電阻插入到環路中，不可以影響環路的穩態值；
2、上述要求實際上是要求一個小的注入電阻。例如常見的分壓反饋電阻網絡的電阻值至少在kohms級別以上，所以此5-20ohms的電阻是合適的。假設這個電阻值更大，達到Mohms了。對此更大的注入電阻也是可行的；
3、確定了注入電阻以后，接下來我們就應要確定注入幅度；
注入幅度AFG的輸出幅度之間的關系如下所示:
4、注入幅度的限制在于:
（1）若沒有其他的要求，通常能夠從輸出電壓的1/10~1/20開始，進行試探；
（2）不可以破壞環路的小信號條件;
（3）若開關環路中存在閾值電路，那么注入的電壓不能讓閾值電路的電壓低于閾值。
（三）注入幅度對測試結果的影響
注入不同幅度的大小會影響到測試結果，注入電壓太小，則會被淹沒在噪聲中，低頻部分會測不準，但是在高頻段， 情況則是相反的，注入電壓太大，高頻部分測試便會出現失真。所以，建議在低頻處施加大的注入電壓，在高頻處施加小的注入電壓，這樣會使測試更加準確。
（五）環路響應測試連接的方法
（六）環路響應測試設置
在測量功能中選擇Power，之后在FREQUENCY RESPNSE ANALYSIS中選擇Control Loop Response。
上圖所示的便是環路響應的設置菜單。
設置時應要注意以下幾點：
1、頻率點數：bode圖中的點數由每倍頻程點數、開始頻率與結束頻率確定。(每10倍頻程點數默認值是10，大值是100).
頻率點數的計算公式如下所示：
頻率點數= ppd( log(fSTOP) - log(fstart))
例如，假設每倍頻程的點數是10，開始頻率是100Hz，結束頻率是10MHz，那么：頻率點數=10 (log(107)-log(102))= 50 點
2、頻譜分析方式：和傳統FFT方法對比可知，Spectrum View 頻譜視圖方法能夠更精細地控制頻率分辨率。測量設置包含使用“Auto RBW"選項，其有利于全面利用這種靈活性與分辨率。
（七）環路響應實測結果
上圖所示便是掃頻完成的Bode圖，在右邊測量欄中就能夠直接查看相位裕度、增益裕度與穿越頻率這三個參數。
（八）常見的問題
1、探頭選擇：
探頭選擇：低壓系統：泰克方案推薦P2220 6MHz 帶寬1:1 探頭或是TPP0502 500MHz 2:1 探頭，該兩種探頭測試的大電壓為300V。
高壓系統：泰克推薦的隔離變壓器隔離電壓為600V，因此在測試300-600V電源的情況下，如果在反饋電阻前注入推薦選用高壓差分探頭；不然得話推薦在補償之后，反饋電阻之前注入。
2、低頻段掃頻跳變：bode圖通常增益在±60dB、相角在±180°繪制，機器也遵循這個規則，如果增益與相角超過該范圍便會跳變。首先可先掃頻一遍，觀察正常開始掃頻的位置，在下次掃頻中將該頻率設置為起始頻率便可。
3、半載和滿載掃頻出現偏差：使用者可能會考慮到穿越頻率不同，帶載情況不同，會對系統造成有一定影響，因此造成了穿越頻率不同，只要滿足在信號頻率的10%-20%便可。
