電源是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的一部分，為了更加貼合使用者的需求—效率更高、噪聲更小的產(chǎn)品，不僅要考慮到開關(guān)損耗、輸入電源質(zhì)量、輸出紋波測(cè)試等之外，還會(huì)涉及到環(huán)路響應(yīng)測(cè)試。

       環(huán)路響應(yīng)測(cè)試能夠輔助使用者判斷開關(guān)電源的穩(wěn)定性，采用伯德圖來(lái)查看電源控制環(huán)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(huán)路穩(wěn)定性的方法。傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)則是要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或是專有的設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試，可采用這種方法進(jìn)行測(cè)試的話其測(cè)試成本便會(huì)很高。因此推薦采用電源開發(fā)工程師現(xiàn)有的示波器設(shè)備來(lái)完成環(huán)路響應(yīng)測(cè)試。

一、測(cè)環(huán)路響應(yīng)

      在電源設(shè)計(jì)中，控制環(huán)路測(cè)量有利于表征電源對(duì)輸出負(fù)載條件變化、輸入電壓變化、溫度變化等及時(shí)作出響應(yīng)。理想的電源一定要具備以下優(yōu)勢(shì)：響應(yīng)快，保持恒定輸出，同時(shí)不會(huì)有過(guò)多的振鈴或是振蕩。這一般是利用控制電源與負(fù)載之間元器件（通常是MOSFET）的快速開關(guān)來(lái)完成的。開關(guān)打開的時(shí)間相對(duì)關(guān)閉的時(shí)間越長(zhǎng)，為負(fù)載提供的功率便會(huì)更高。

       為了解此系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，我們以變化幅度在頻率范圍內(nèi)掃描輸入正弦曲線信號(hào)。此步驟有利于表示在某個(gè)頻率范圍內(nèi)獲得的環(huán)路的增益與相位，提供與控制環(huán)路和電源穩(wěn)定性相關(guān)的關(guān)鍵信息。利用順序測(cè)量各個(gè)頻率上的增益與相位，便能夠繪制增益與相位相對(duì)于頻率關(guān)系圖。采用使用對(duì)數(shù)頻率標(biāo)度，這些圖便能覆蓋非常寬的頻率范圍，同時(shí)也通常稱為Bode圖。

       因此采用測(cè)試環(huán)路響應(yīng)能夠快速直觀的評(píng)價(jià)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

二、環(huán)路響應(yīng)指標(biāo)

      關(guān)于開關(guān)電源環(huán)路響應(yīng)時(shí)常用到相位裕度、增益裕度與穿越頻率三個(gè)參數(shù)的詳細(xì)解釋如下：

(1) 相位裕度：增益降至0dB的情況下，此時(shí)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(dá)到-180°的頻率處對(duì)應(yīng)的增益，即φ=-180°時(shí)，增益裕度=0-增益Gain(dB)。

(3) 穿越頻率：增益為0dB的情況下相對(duì)應(yīng)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(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)，可在實(shí)際工程中為了保障系統(tǒng)在各種誤差與參數(shù)變化情況下依然可以保持穩(wěn)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(tǒng)保持穩(wěn)定條件下所能承受的大增益擾動(dòng)，為了保障在各種工況下均能保持穩(wěn)定通常需要大于10dB。

3、穿越頻率：一般穿越頻率越高，系統(tǒng)的快速性越強(qiáng)，那么對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的抑制能力便會(huì)越好，過(guò)沖、欠沖越小，恢復(fù)時(shí)間也會(huì)越快。假設(shè)穿越頻率過(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)抗擾性降低。因此建議穿越頻率為開關(guān)頻率的5%-20%。

三、測(cè)試時(shí)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(jí)功率測(cè)量與分析軟件 (4/5/6-PWR)。

2、PWR選件：此應(yīng)用軟件支持多種頻響測(cè)量，包含：控制環(huán)路響應(yīng)、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(wú)源探頭。

5、隔離變壓器：J2100A orJ2101A用于控制環(huán)路測(cè)量。

四、環(huán)路響應(yīng)的信號(hào)注入

      信號(hào)注入詳細(xì)解析圖如下所示：

此時(shí)上圖的環(huán)路響應(yīng)為：

根據(jù)上述公式可知等效電路為：Vinj = Vy-Vx。

（一）挑選合適的注入點(diǎn)

       實(shí)際上，不能在環(huán)路的任意位置插入注入電阻;對(duì)于注入位置有一定的要求;根據(jù)上圖看到的三個(gè)位置是常見(jiàn)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(shè)電源功率很大，在feedback network上方加電阻，其通過(guò)的電壓自身便會(huì)很大，此時(shí)使用AFG注入的電壓與之對(duì)比將會(huì)變得十分小，很難準(zhǔn)確的掃描出bode圖，因此300V以上的電源系統(tǒng)應(yīng)要在補(bǔ)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(nèi)容中說(shuō)完注入位置的選擇后，下一個(gè)問(wèn)題便是注入電阻值為多少?在此需要注意以下問(wèn)題：

1、核心原則:注入電阻插入到環(huán)路中，不可以影響環(huán)路的穩(wěn)態(tài)值；

2、上述要求實(shí)際上是要求一個(gè)小的注入電阻。例如常見(jiàn)的分壓反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值至少在kohms級(jí)別以上，所以此5-20ohms的電阻是合適的。假設(shè)這個(gè)電阻值更大，達(dá)到Mohms了。對(duì)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(lái)我們就應(yīng)要確定注入幅度；

     注入幅度AFG的輸出幅度之間的關(guān)系如下所示:

4、注入幅度的限制在于:

（1）若沒(méi)有其他的要求，通常能夠從輸出電壓的1/10~1/20開始，進(jìn)行試探；

（2）不可以破壞環(huán)路的小信號(hào)條件;

（3）若開關(guān)環(huán)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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

         注入不同幅度的大小會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果，注入電壓太小，則會(huì)被淹沒(méi)在噪聲中，低頻部分會(huì)測(cè)不準(zhǔn)，但是在高頻段， 情況則是相反的，注入電壓太大，高頻部分測(cè)試便會(huì)出現(xiàn)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(huì)使測(cè)試更加準(zhǔn)確。

（五）環(huán)路響應(yīng)測(cè)試連接的方法

（六）環(huán)路響應(yīng)測(cè)試設(shè)置

     在測(cè)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(huán)路響應(yīng)的設(shè)置菜單。

設(shè)置時(shí)應(yīng)要注意以下幾點(diǎn)：

1、頻率點(diǎn)數(shù)：bode圖中的點(diǎn)數(shù)由每倍頻程點(diǎn)數(shù)、開始頻率與結(jié)束頻率確定。(每10倍頻程點(diǎn)數(shù)默認(rèn)值是10，大值是100).

頻率點(diǎn)數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

頻率點(diǎn)數(shù)= ppd( log(fSTOP) - log(fstart))

例如，假設(shè)每倍頻程的點(diǎn)數(shù)是10，開始頻率是100Hz，結(jié)束頻率是10MHz，那么：頻率點(diǎn)數(shù)=10 (log(107)-log(102))= 50 點(diǎn)

2、頻譜分析方式：和傳統(tǒng)FFT方法對(duì)比可知，Spectrum View 頻譜視圖方法能夠更精細(xì)地控制頻率分辨率。測(cè)量設(shè)置包含使用“Auto RBW”選項(xiàng)，其有利于全面利用這種靈活性與分辨率。

（七）環(huán)路響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果

上圖所示便是掃頻完成的Bode圖，在右邊測(cè)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(gè)參數(shù)。

（八）常見(jiàn)的問(wèn)題

1、探頭選擇：

探頭選擇：低壓系統(tǒng)：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(cè)試的大電壓為300V。

高壓系統(tǒng)：泰克推薦的隔離變壓器隔離電壓為600V，因此在測(cè)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(bǔ)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(jī)器也遵循這個(gè)規(guī)則，如果增益與相角超過(guò)該范圍便會(huì)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(shè)置為起始頻率便可。

3、半載和滿載掃頻出現(xiàn)偏差：使用者可能會(huì)考慮到穿越頻率不同，帶載情況不同，會(huì)對(duì)系統(tǒng)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(hào)頻率的10%-20%便可。