【導讀】雖然可以使用專用設備執(zhí)行頻率響應分析，但也可以使用較新的 示波器 來測量電源控制環(huán)路的響應。使用示波器、信號源和自動化軟件，可以快速進行測量并以熟悉的波德圖呈現(xiàn)。這使得評估裕量并將電路性能與模型進行比較變得容易。波德圖通過兩個圖繪制系統(tǒng)的頻率響應——幅值圖和相位圖（以度為單位的相移）。從這些圖中可以確定增益裕度和相位裕度以衡量電源穩(wěn)定性。
雖然可以使用專用設備執(zhí)行頻率響應分析，但也可以使用較新的 示波器 來測量電源控制環(huán)路的響應。使用示波器、信號源和自動化軟件，可以快速進行測量并以熟悉的波德圖呈現(xiàn)。這使得評估裕量并將電路性能與模型進行比較變得容易。波德圖通過兩個圖繪制系統(tǒng)的頻率響應——幅值圖和相位圖（以度為單位的相移）。從這些圖中可以確定增益裕度和相位裕度以衡量電源穩(wěn)定性。
頻率響應分析簡介
系統(tǒng)的頻率響應是一個與頻率相關的函數(shù)，表示系統(tǒng)輸入（激勵）處特定頻率的參考信號（通常是正弦波形）如何通過系統(tǒng)傳輸。
圖 1 顯示了一個廣義控制回路，其中將正弦波 a(t) 應用于具有傳遞函數(shù) G(s) 的系統(tǒng)。在初始條件引起的瞬變衰減后，輸出 b(t) 變成具有不同幅度 B 和相對相位 ω 的正弦波。輸出 b(t) 的幅度和相位實際上與輸入正弦波頻率 (Ω rad/s) 處的傳遞函數(shù) G(s) 有關。反饋系數(shù)“k”決定了輸入信號如何根據(jù)輸出端的負載進行調(diào)節(jié)。
圖 1：具有傳遞函數(shù) G(s) 的廣義控制回路
輸入正弦信號以不同的幅度掃過一系列頻率，以了解系統(tǒng)行為。這有助于表示環(huán)路在一定頻率范圍內(nèi)的增益和相移，并提供有關控制環(huán)路速度和電源穩(wěn)定性的寶貴信息。通過順序測量不同頻率下的增益和相位，可以繪制增益和相位與頻率的關系圖。通過使用對數(shù)頻率標度，繪圖可以覆蓋非常寬的頻率范圍。這些圖通常被稱為波德圖，因為它們用于 Hendrik Wade Bode 開創(chuàng)的控制系統(tǒng)設計方法。博德本人在他 1940 年發(fā)表于貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊的文章“反饋放大器設計中衰減與相位之間的關系”中說道。
電源設計中，控制環(huán)路測量有助于表征電源如何響應輸出負載條件、輸入電壓變化、溫度變化等變化。理想的電源必須快速響應并保持恒定輸出，而不會出現(xiàn)過度振鈴或振蕩。這通常通過控制電源和負載之間元件（通常是 MOSFET）的快速開關來實現(xiàn)。與關閉時間相比，開關打開的時間越長，提供給負載的功率就越高。
不穩(wěn)定的電源或穩(wěn)壓器可能會振蕩，從而導致控制環(huán)路帶寬上出現(xiàn)非常大的表觀紋波。這種振蕩也可能導致 EMI 問題。
使用自動頻率響應分析的示波器測量
通過在一定頻率范圍內(nèi)測量電路的實際增益和相位，我們可以獲得對設計穩(wěn)定性的信心——這比僅依靠仿真要好得多。
執(zhí)行控制回路響應測量需要用戶在一定頻率范圍內(nèi)將刺激注入控制回路的反饋路徑。使用示波器、信號源和自動化軟件，可以快速進行測量并以熟悉的波德圖呈現(xiàn)。這使得評估裕量并將電路性能與模型進行比較變得容易。
控制環(huán)路響應測量的測試裝置如圖 2 所示。它包括測量軟件、函數(shù)發(fā)生器（內(nèi)置于示波器中）、注入/隔離變壓器、注入電阻器和兩個低衰減無源探頭。
圖 2：用于測量控制回路響應的基于示波器的系統(tǒng)
現(xiàn)代示波器可以配備功率測量和分析軟件。該應用軟件包括多種頻率響應測量，包括：
控制回路響應
電源抑制比 (PSRR)
阻抗
為了確定控制回路測量，分析軟件執(zhí)行以下重要功能：
控制函數(shù)發(fā)生器
根據(jù)兩個電壓輸入計算和繪制增益 (20 Log V OUT /V IN )，其中 V IN 是來自函數(shù)發(fā)生器的激勵電壓
根據(jù)兩個電壓輸入計算并繪制 V IN 和 V OUT之間的相移
計算增益和相位裕度
跨低值注入電阻器應用的兩個探頭提供分析軟件所需的所有信息。它測量刺激和響應幅度以計算增益和刺激與響應之間的相位延遲。
要測量電力系統(tǒng)的響應，必須將已知信號注入反饋回路。幾種泰克示波器提供內(nèi)置信號源，可用于通過隔離變壓器將信號注入環(huán)路反饋。對于此示例，任意波形/函數(shù)發(fā)生器在指定的頻率范圍內(nèi)生成正弦波。DC-DC 轉(zhuǎn)換器或 LDO 必須在其反饋環(huán)路中配置一個小 (5–10 Ω) 注入電阻器/終端電阻器，以將來自函數(shù)發(fā)生器的干擾信號注入環(huán)路。注入信號的振幅必須保持較低，以避免過度驅(qū)動控制環(huán)路。
一個在寬帶寬上具有平坦響應的注入變壓器連接在注入電阻兩端，將接地信號源與電源隔離。注入變壓器的選擇取決于感興趣的頻率。
建議將低電容和低衰減無源探頭（例如 TPP0502）用于電壓測量。低探頭衰減可實現(xiàn)良好的靈敏度。TPP0502 的 2X 衰減支持在 6 系列 MSO 上以 500 μV/div 的垂直靈敏度進行測量，在 4 或 5 系列 MSO 上以 1 mV/div 的垂直靈敏度進行測量。12.7 pF 的低電容可限度地減少探頭負載效應。
圖 3 顯示波德圖（右上），掃描范圍為 10 Hz 至 20 MHz，以及頻譜視圖窗口（左側(cè)）。這些測量是在 5 系列 MSO 上進行的。
圖 3：波德圖（右上）和頻譜視圖窗口（左）
結(jié)論
大多數(shù)電源和穩(wěn)壓器本質(zhì)上都是帶有閉環(huán)反饋的放大器。控制環(huán)路測量有助于確保電源設計能夠響應輸出負載條件的變化，而不會出現(xiàn)過度振鈴或振蕩。
使用示波器、信號源和自動化軟件，可以快速進行測量并以熟悉的波德圖呈現(xiàn)，從而輕松評估裕度并將電路性能與模型進行比較。
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