电源环路稳定性测试的必备工具：示波器的威力与便利

发布时间：2022-06-07 13:00:06

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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在评估开关电源的稳定性时，我们通常使用相位裕度和增益裕度作为指标。此外，穿越频率也是一个重要的参考指标。本文将介绍使用示波器测试电源环路稳定性的方法。

稳定性测量

1.1 反馈系统的稳定性

环路不稳定具备两个条件：1) G(S)H(S)的相位为180°；2) 增益幅值 |G(s)H(s)|=1。当这两个条件同时满足时，环路就不稳定。我们可以绘制系统环路增益的波特图来评估系统的稳定性，并从中得到常用的增益裕度和相位裕度指标。相位裕度指的是在增益降至1（或0 dB）时，相位距离-180°还有多少；增益裕度则是相位达到-180°时，增益比1（或0 dB）少了多少。需要注意的是，在相位为180°、增益小于1或增益为1时，相位应小于180°。

1.2 断开环路

我们只需简单地断开环路即可获得环路增益。下图展示了如何在反馈系统中断开环路。在进行理论计算时，可以从任何位置断开环路，但通常我们选择在输出和反馈之间断开环路。断开环路后，在断点处注入一个测试信号i，经过一圈环路后到达输出，得到信号Vo。Vo与i之间的数学关系式即为我们要求的环路增益。

1.3 环路注入

实际中，反馈环路通常用于稳定电路的静态工作点，因此我们不能简单地断开环路进行增益测量。当反馈环路断开后，由于输入失调等原因，输出会直接饱和，这种情况下无法进行有意义的测量。为了解决这个问题，我们必须在闭环条件下进行测量，其中一种可行的方法是环路注入。下图展示了典型的环路注入方法。为了尽可能降低误差，我们对注入点的选择有特殊要求，通常注入点的看向输入端的阻抗远大于看向输出端的阻抗。一个比较理想的注入点是输出和反馈网络之间，其他注入点如误差放大器和功率晶体管之间也是可行的。

为了维持闭环，我们在注入点插入一个很小的电阻而不是完全断开环路，注入信号将通过这个电阻进入环路。注入电阻的值应足够小，通常要远小于反馈网络的等效阻抗，以确保注入电阻对反馈环路的影响可以忽略不计。Picotest建议在使用J2100A型变压器或直接使用Siglent SAG1021I时，使用4.99Ω的注入电阻，当然也可以选择稍大一点的注入电阻。另外，由于注入电阻与注入变压器并联，较小的注入电阻可以降低变压器的下限工作频率，在需要测量极低频率时非常有用。理论上直接断开环路求环路增益得到的从0°开始降到-180°不同，所以这种情况下我们计算相位裕度的时候应该是参考0°而不是-180°。

2 测试设备

示波器: Siglent SDS1204X-E

信号源: Siglent SAG1021I

电源: ZHAOXIN RXN-305D

探头: Siglent PP215 1X

电子负载：Dingchen DCL6104

2.1测试接线

JWH6346 DEMO板是一款稳压电源测试板，其中的电路包括JWH6346同步降压调节器控制器、NMOS管和电感等部分，构成了开关电源电路。

在测试JWH6346 DEMO板的电源环路响应时，我们选择R16两端作为注入点。接线的方法如下图所示：信号源SAG1021I通过USB连接到示波器上，输出端夹子与注入电阻并联，这样信号可以注入到环路中，同时环路的直流工作点不会受到信号源和被测件接地的影响。注入电阻的两端也同时连接到示波器上，其中R16的一端连接到定义为"DUT Output"的Bode Plot II通道，而R16的另一端连接到"DUT Input"通道。

2.2仪器设置

这一部分介绍了完成本次测量所需的关键设置。在进入Bode Plot软件之前，我们建议先将要用到的通道设置为20 MHz的带宽限制。本次测量的频率范围是10 Hz至100 kHz，对于预期的穿越频率约为10 kHz的电路来说，这个范围已经足够。在Bode Plot的主菜单中，按下配置信息进入配置菜单，并进行以下设置：

行通道设置，将"DUT Input"和"DUT Output"分别设置到相应的通道上。

将"DUT Input"设置为C1，"DUT Output"设置为C2。

检查与SAG1021I的连接是否成功。

设置扫描类型为可变幅度，并进行以下扫描参数设置：

将频率模式设置为对数。

在配置文件编辑中创建5个结点，分别对应频率为10Hz，100Hz，1kHz，10kHz，100kHz，相应的幅度分别设置为1.9V，1.9V，80mV，80mV，1V。

将点数/十倍频设置为40。

当增益曲线或相位频率曲线不光滑时，可能是由于注入电压过大或过小导致C1/C2波形失真，或者C1/C2电压过小而示波器无法检测到。此时，可以退出Bode Plot并查看异常频点的C1和C2表现是否能够清晰地显示在屏幕上来判断。如果C1和C2的迹线不能很好地显示在屏幕上，您可以根据需要修改SAG1021I在不同频段中的输出幅度。

2.3 测试结果分析

在1A负载下，增益为0，穿越频率约为1.4 kHz，相位裕度约为99°，电源系统稳定。

在5A负载下，增益为0，穿越频率约为12.6 kHz，相位裕度约为113°，电源系统稳定。