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开关电源环路响应(伯德图)测试

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:1213

示波器是最重要的电源测试和表征工具。目前,许多示波器都可以提供专用的电源测量选件,以帮助工程师自动完成很多重要测试,例如是德科技InfiniiVision X 系列示波器。电源不仅仅需要进行时域的测量,频域的测量也至关重要。频率响应测量包括控制环路响应(伯德图)和电源抑制比(PSRR)。此类特定的激励响应测量通常是由低频网络分析仪完成,但是一些新的示波器内置了函数/ 任意波形发生器,所以也可用于此类测量。下面就介绍一下开关电源环路相应测试。

 

控制环路响应(伯德图)

电源实际上是一个包含了负反馈控制环路的放大器,如图1所示。这意味着虽然您可以把电源看作是一个直流放大器,但它实际上会放大交流信号并对输出条件的变化做出响应,比如负载变化。

 

为了实现控制环路响应测试,就需要注入一个误差信号到控制环路的反馈路径中。在图1中,这个反馈路径就是指 R1 和 R2 的电阻分压器网络。需要把一个较小的电阻器串联到反馈环路中,才能注入一个误差信号。原理图中显示的这个5ohm注入电阻与R1和R2串联阻抗相比是微不足道的。所以,也许可以考虑把这个低阻值注入电阻(Rinj)作为长久使用的测试器件。另外使用一个注入变压器(例如 Picotest J2101A)来隔离这个交流干扰信号,从而不产生任何的直流偏置。

 

此处的测量系统是一台内置 WaveGen 函数/任意波形发生器的示波器,可以测量在反馈网络(Vin)的顶部和电源直流输出(Vout)上的交流电压电平。示波器还可以计算在扫描频段内每个测试频率点上的增益,dB=20Log(Vout/Vin)。同时还测量Vin和Vout之间的相位差。



图 1:环路响应测试时电源闭环反馈网络和示波器连接设置

 

输入和输出探测

严谨准确的测试技术是环路响应测试的必备条件。Vin和Vout在某些测试频率点上的纹波电压非常的小,很容易被示波器本底噪声或者待测电源自身噪声所淹没,提高测试的信噪比可以提高频率响应测试的动态范围。尽管大部分示波器都标配10:1无源探头,但是使用1:1无源探头才能更好的降低示波器底噪和电源开关噪声的影响,进而提高测试信噪比。如果使用是德科技的示波器,推荐使用35MHz带宽的1:1无源探头N2780A进行环路响应测试。

 

缩短探头的地线长度对这个测试也很有帮助。探头标配的接地线有些时候会像天线一样吸收开关噪声,如果在Vin和Vout测试点附近有接线柱,可以去掉标配的长地线和探头帽,然后如图2所示直接把探头前端的探针和地斜靠在接线柱上。如果没有接线柱,在PCB上找到一个较近的接地点,然后利用无源探头附带的弹簧地线附件做一个较短的地线连接,或者设计时预留一个探头接口在PCB板上,可以获得[敏感词]的低噪声地线连接同时不需要用手固定探头。

图 2:使用短地线测量可以在环路响应测试中提供[敏感词]的信噪比

 

执行环路响应测量

图 3 展示了对一个开关电源评估板进行环路响应测试时需要配置的隔离变压器和1:1无源探头,隔离变压器使用的是Picotest的N2101A注入变压器。这个电源测试板设计时已经在反馈回路中放置了5Ω注入电阻。

图 3:环路响应测试隔离变压器和1:1无源探头的配置


环路响应测试需要使用一个带有电源测试选件的示波器(以InfiniiVision X系列的示波器带的软件为例),[敏感词]步先在电源测试项目列表里选择环响应测试,然后选择如图4所示的 设置&应用 菜单,我们先用固定 200mVpp 峰峰值和50Ω阻抗的默认设置进行这项测试,由于隔离变压器连接的注入电阻只有5Ω,实际上加在注入电阻上的电压只有36mVpp左右。

图 4:环路响应测试参数设置

 

请注意大部分频率响应分析仪或矢量网络分析仪设置注入电压时是Vrms或者dBm并且是基于50Ω注入电阻,如果您要对比不同设备的测试结果(示波器,频率响应分析仪,网络分析仪),即便是在电压单位不同的时候(Vpp,Vrms,dBm),也要务必确保注入电压设置是相同的。

 

设置好测试参数之后直接点击“应用”按钮,如图5所示,蓝绿色和橙色分别为增益和相位在100Hz到20MHz扫描频段内的曲线。示波器还在屏幕左下角自动显示相位裕度(PM)和增益裕度(GM)测试结果。

图 5:环路响应测试在固定注入电压的增益曲线和相位曲线

 

我们可以看到测试结果中低频时增益和相位结果有抖动,这种结果说明在这种频率下信噪比可能太低了。一个简单的提高信噪比的方法是把所有频段的注入电压幅值提高。但是提高注入电压可能会造成信号失真或者0dB穿越时对应的相位裕度结果不对。

 

一个比较好的提高信噪比的方法是利用图6所示的测量工具里的幅值配置功能来定制不同的注入电压,通过幅值配置功能,您可以在待测电源敏感的频率段使用低幅值注入电压,在待测电源不敏感的频率段使用高幅值注入电压。开关电源反馈网络一般在0dB穿越点附近最敏感,我们测的这个电源板是60KHz左右。

图 6:利用幅度配置优化信噪比

 

图7展示了通过定制注入电压后的环路响应增益和相位的测试结果,可以看到因为信噪比不够造成的测试结果抖动明显变得很小。

图 7:优化注入电压配置后增益和相位测试结果


如何确定最适合的注入电压呢?有工程师建议开始时用一个相对高的注入电压进行测试,然后逐渐降低幅值进行多次测试,直到0dB穿越频率稳定在某个频率点。频率响应测试一般多次的重复测试迭代出合适的注入电压以得到[敏感词]的动态范围。

 

也可以使用示波器进行单个频率点的相位和增益测量,例如在预计的0dB穿越频率附近的某个频率点,然后在示波器的波形发生器设置菜单里手工调整注入信号的电压和频率同时可以直观地观察实时波形的变化。

 

例如像图5那样以一个固定的低注入电压运行整个扫频范围的测试来确定大概的0dB穿越频率。在这个例子中我们知道0dB穿越频率是62KHz左右,然后运行62KHz单个频率点的测试并且逐渐升高注入电压直到观察到信号失真。一旦决定了0dB穿越频率附近的[敏感词]注入电压,就可以简单地在所有频段内使用注入电压。就可以在不同的频率点进行更多的单频率点测试以优化低频或者高频时的注入电压幅度。

 

总结

示波器是当今工程师测试和表征电源设计最基础的测量设备。现在不仅仅可以利用示波器测量时域的纹波、噪声,还可以进行控制环路响应(伯德图)和电源抑制比(PSRR)的等频域参数。






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