使用示波器测量电源的控制环路响应

虽然可以使用专用设备执行频率响应分析，但也可以使用较新的 示波器 来测量电源控制环路的响应。使用示波器、信号源和自动化软件，可以快速进行测量并以熟悉的波德图呈现。这使得评估裕量并将电路性能与模型进行比较变得容易。波德图通过两个图绘制系统的频率响应——幅值图和相位图（以度为单位的相移）。从这些图中可以确定增益裕度和相位裕度以衡量电源稳定性。

频率响应分析简介

系统的频率响应是一个与频率相关的函数，表示系统输入（激励）处特定频率的参考信号（通常是正弦波形）如何通过系统传输。

图 1 显示了一个广义控制回路，其中将正弦波 a(t) 应用于具有传递函数 G(s) 的系统。在初始条件引起的瞬变衰减后，输出 b(t) 变成具有不同幅度 B 和相对相位 ω 的正弦波。输出 b(t) 的幅度和相位实际上与输入正弦波频率 (Ω rad/s) 处的传递函数 G(s) 有关。反馈系数“k”决定了输入信号如何根据输出端的负载进行调节。

图 1：具有传递函数 G(s) 的广义控制回路

输入正弦信号以不同的幅度扫过一系列频率，以了解系统行为。这有助于表示环路在一定频率范围内的增益和相移，并提供有关控制环路速度和电源稳定性的宝贵信息。通过顺序测量不同频率下的增益和相位，可以绘制增益和相位与频率的关系图。通过使用对数频率标度，绘图可以覆盖非常宽的频率范围。这些图通常被称为波德图，因为它们用于 Hendrik Wade Bode 开创的控制系统设计方法。博德本人在他 1940 年发表于贝尔系统技术期刊的文章“反馈放大器设计中衰减与相位之间的关系”中说道。

电源设计中，控制环路测量有助于表征电源如何响应输出负载条件、输入电压变化、温度变化等变化。理想的电源必须快速响应并保持恒定输出，而不会出现过度振铃或振荡。这通常通过控制电源和负载之间元件（通常是 MOSFET）的快速开关来实现。与关闭时间相比，开关打开的时间越长，提供给负载的功率就越高。

不稳定的电源或稳压器可能会振荡，从而导致控制环路带宽上出现非常大的表观纹波。这种振荡也可能导致 EMI 问题。

使用自动频率响应分析的示波器测量

通过在一定频率范围内测量电路的实际增益和相位，我们可以获得对设计稳定性的信心——这比仅依靠仿真要好得多。

执行控制回路响应测量需要用户在一定频率范围内将刺激注入控制回路的反馈路径。使用示波器、信号源和自动化软件，可以快速进行测量并以熟悉的波德图呈现。这使得评估裕量并将电路性能与模型进行比较变得容易。

控制环路响应测量的测试装置如图 2 所示。它包括测量软件、函数发生器（内置于示波器中）、注入/隔离变压器、注入电阻器和两个低衰减无源探头。

图 2：用于测量控制回路响应的基于示波器的系统

现代示波器可以配备功率测量和分析软件。该应用软件包括多种频率响应测量，包括：

控制回路响应
电源抑制比 (PSRR)
阻抗
为了确定控制回路测量，分析软件执行以下重要功能：
控制函数发生器
根据两个电压输入计算和绘制增益 (20 Log V OUT /V IN )，其中 V IN 是来自函数发生器的激励电压
根据两个电压输入计算并绘制 V IN 和 V OUT之间的相移

计算增益和相位裕度

跨低值注入电阻器应用的两个探头提供分析软件所需的所有信息。它测量刺激和响应幅度以计算增益和刺激与响应之间的相位延迟。

要测量电力系统的响应，必须将已知信号注入反馈回路。几种泰克示波器提供内置信号源，可用于通过隔离变压器将信号注入环路反馈。对于此示例，任意波形/函数发生器在指定的频率范围内生成正弦波。DC-DC 转换器或 LDO 必须在其反馈环路中配置一个小 (5–10 Ω) 注入电阻器/终端电阻器，以将来自函数发生器的干扰信号注入环路。注入信号的振幅必须保持较低，以避免过度驱动控制环路。

一个在宽带宽上具有平坦响应的注入变压器连接在注入电阻两端，将接地信号源与电源隔离。注入变压器的选择取决于感兴趣的频率。

建议将低电容和低衰减无源探头（例如 TPP0502）用于电压测量。低探头衰减可实现良好的灵敏度。TPP0502 的 2X 衰减支持在 6 系列 MSO 上以 500 μV/div 的垂直灵敏度进行测量，在 4 或 5 系列 MSO 上以 1 mV/div 的垂直灵敏度进行测量。12.7 pF 的低电容可限度地减少探头负载效应。

图 3 显示波德图（右上），扫描范围为 10 Hz 至 20 MHz，以及频谱视图窗口（左侧）。这些测量是在 5 系列 MSO 上进行的。

图 3：波德图（右上）和频谱视图窗口（左）

结论

大多数电源和稳压器本质上都是带有闭环反馈的放大器。控制环路测量有助于确保电源设计能够响应输出负载条件的变化，而不会出现过度振铃或振荡。

使用示波器、信号源和自动化软件，可以快速进行测量并以熟悉的波德图呈现，从而轻松评估裕度并将电路性能与模型进行比较。