使用RS示波器和頻率響應分析選件進行電源控制環路響應測量

任務

為確保電壓穩壓器和開關電源的穩定性，必須測量和表征控制環路特性。進行適當補償的電壓控制器可實現穩定的輸出電壓，并降低負載變化和供電電壓變動的影響。控制電路的質量決定整個DC/DC轉換器的穩定性和動態響應。

海洋儀器解決方案使用RTx-K36頻率響應分析(波特圖)選件，在示波器上輕松快速地分析低頻響應：表征多種電子設備的頻率響應，包括無源濾波器和放大器電路；測量開關電源的控制環路響應和電源抑制比(PSRR)。RTx-K36頻率響應分析(波特圖)選件使用示波器內置信號源來生成10Hz～25MHz的激勵信號；通過測量每個測試頻率下被測設備的激勵信號與輸出信號之比，示波器屏幕上的波特圖會以對數方式顯示增益和以線性方式顯示相位。RTx-K36頻率響應分析(波特圖)選件可快速確定開關電源或線性穩壓器的增益和相位裕度，這些測量有助于確定控制環路的穩定性。RTx-K36頻率響應分析(波特圖)選件可顯示針對操作條件變化下的系統響應，例如：電源電壓變動或負載電流變化。測試裝置電源控制環路對比參考電壓 (Vref) 和反饋電壓 (Vfeedback)，并生成負反饋以確保穩定的輸出電壓?？刂骗h路響應測試需要在頻帶中將誤差信號注入到控制環路的反饋路徑。要注入誤差信號，必須在反饋環路中插入一個小電阻。如下圖所示，與R1和R2串聯阻抗相比，5 Ω注入電阻微不足道。部分用戶會選擇始終采用這種低值注入電阻 (Rinjection) 進行測試。注入變壓器(如J2100A)可隔離交流失真信號，并消除任何直流偏置。

測量電源抑制比（PSRR）時，使用接地彈簧，提供最佳信噪比注入點和探測為測量電壓反饋環路的環路增益，需要在適當的位置點斷開環路，在這個位置點注入失真信號，失真信號將分布在環路中。注入的失真信號將被放大或出現衰減和相移，具體取決于環路增益。對于RTx-K36選件，示波器內置發生器可生成失真信號，這樣示波器可測量環路的傳遞函數。為確?？刂骗h路增益測量值與實際值相等，需要選擇合適的位置點：

?尋找環路被限制到單一路徑的位置點，確保沒有并行信號流過。

?確保環路方向的阻抗遠大于此位置點的反向阻抗。反向阻抗與變換器的輸出阻抗相等，僅為幾mΩ。環路方向的阻抗源自補償器和分壓器，為幾kΩ。準確的控制環路響應特性測量取決于良好的探測操作。在部分測試頻率下，Vin和Vout的峰值幅度會非常小。這些數值會被掩蓋在示波器的底噪和/或被測設備的開關噪聲中。因此，提高測量信噪比(SNR)將極大改善頻率響應測量的動態范圍。大多數示波器通常會配備噪聲較大的10:1無源電壓探頭。使用低噪聲1:1無源電壓探頭將降低測量噪聲，并提高信噪比。在此應用中，海洋儀器推薦使用具有38MHz帶寬的RTZP1X1:1無源電壓探頭、或經濟型40MHz帶寬的OI10401:1無源電壓探頭。

減少探頭的接地長度可以最大程度地減少感應接地環路。探頭標配接地線有時會起到天線作用，放大無用的開關噪聲。確定Vin和Vout測試點周圍的接地端子。使用RTZP1X和OI1040示波器探頭的接地彈簧縮短接地（見下圖），這將為測量提供理想的低噪聲接地。

操作步驟

將示波器連接到被測電路后，開始測量：

? 將起始頻率和終止頻率設置為10Hz～25MHz，并確定發生器的輸出電平。

?設置十倍程頻率點以提高和調整采集分辨率。示波器每十倍程至多可采集500個頻率點。

?設置發生器輸出的幅度（最高16步長），以抑制被測電路的噪聲特性。

?按運行(Run)，以開始測量。測量結果顯示為相對于頻率的增益/相位圖。在感興趣的頻率點處設置標記。

測量結果

波特圖中顯示的曲線代表電路的傳遞函數，有助于驗證電路環路系統的穩定性。一張圖顯示頻率范圍內的幅度特性（以dB為單位），另一張圖顯示頻率中的相位特性（以°為單位）。直接在圖中跡線上將標記拖拽至所需位置。圖例可顯示標記坐標。為確定交叉頻率，將一個標記設置為0dB，將另一個標記設置為-180°相移，現在可輕松確定相位和增益裕度。在表格中查看結果。測量結果表格包含每個測量點的詳細信息（頻率、增益和相移）。使用標記時，結果表格中的相關行將高亮顯示?？蓪⑵聊唤貓D和/或表格結果快速保存至USB設備以生成測試報告。