使用RS示波器和频率响应分析选件进行电源控制环路响应测量

 

任务

为确保电压稳压器和开关电源的稳定性，必须测量和表征控制环路特性。进行适当补偿的电压控制器可实现稳定的输出电压，并降低负载变化和供电电压变动的影响。控制电路的质量决定整个DC/DC转换器的稳定性和动态响应。

海洋仪器解决方案使用RTx-K36频率响应分析(波特图)选件，在示波器上轻松快速地分析低频响应：表征多种电子设备的频率响应，包括无源滤波器和放大器电路；测量开关电源的控制环路响应和电源抑制比(PSRR)。RTx-K36频率响应分析(波特图)选件使用示波器内置信号源来生成10Hz～25MHz的激励信号；通过测量每个测试频率下被测设备的激励信号与输出信号之比，示波器屏幕上的波特图会以对数方式显示增益和以线性方式显示相位。RTx-K36频率响应分析(波特图)选件可快速确定开关电源或线性稳压器的增益和相位裕度，这些测量有助于确定控制环路的稳定性。RTx-K36频率响应分析(波特图)选件可显示针对操作条件变化下的系统响应，例如：电源电压变动或负载电流变化。测试装置电源控制环路对比参考电压 (Vref) 和反馈电压 (Vfeedback)，并生成负反馈以确保稳定的输出电压。控制环路响应测试需要在频带中将误差信号注入到控制环路的反馈路径。要注入误差信号，必须在反馈环路中插入一个小电阻。如下图所示，与R1和R2串联阻抗相比，5 Ω注入电阻微不足道。部分用户会选择始终采用这种低值注入电阻 (Rinjection) 进行测试。注入变压器(如J2100A)可隔离交流失真信号，并消除任何直流偏置。

 

测量电源抑制比（PSRR）时，使用接地弹簧，提供最佳信噪比注入点和探测为测量电压反馈环路的环路增益，需要在适当的位置点断开环路，在这个位置点注入失真信号，失真信号将分布在环路中。注入的失真信号将被放大或出现衰减和相移，具体取决于环路增益。对于RTx-K36选件，示波器内置发生器可生成失真信号，这样示波器可测量环路的传递函数。为确保控制环路增益测量值与实际值相等，需要选择合适的位置点：

• 寻找环路被限制到单一路径的位置点，确保没有并行信号流过。

• 确保环路方向的阻抗远大于此位置点的反向阻抗。反向阻抗与变换器的输出阻抗相等，仅为几mΩ。环路方向的阻抗源自补偿器和分压器，为几kΩ。准确的控制环路响应特性测量取决于良好的探测操作。在部分测试频率下，Vin和Vout的峰值幅度会非常小。这些数值会被掩盖在示波器的底噪和/或被测设备的开关噪声中。因此，提高测量信噪比(SNR)将极大改善频率响应测量的动态范围。大多数示波器通常会配备噪声较大的10:1无源电压探头。使用低噪声1:1无源电压探头将降低测量噪声，并提高信噪比。在此应用中，海洋仪器推荐使用具有38MHz带宽的RTZP1X1:1无源电压探头、或经济型40MHz带宽的OI10401:1无源电压探头。

减少探头的接地长度可以最大程度地减少感应接地环路。探头标配接地线有时会起到天线作用，放大无用的开关噪声。确定Vin和Vout测试点周围的接地端子。使用RTZP1X和OI1040示波器探头的接地弹簧缩短接地（见下图），这将为测量提供理想的低噪声接地。

操作步骤

将示波器连接到被测电路后，开始测量：

• 将起始频率和终止频率设置为10Hz～25MHz，并确定发生器的输出电平。

• 设置十倍程频率点以提高和调整采集分辨率。示波器每十倍程至多可采集500个频率点。

• 设置发生器输出的幅度（最高16步长），以抑制被测电路的噪声特性。

• 按运行(Run)，以开始测量。测量结果显示为相对于频率的增益/相位图。在感兴趣的频率点处设置标记。

测量结果

波特图中显示的曲线代表电路的传递函数，有助于验证电路环路系统的稳定性。一张图显示频率范围内的幅度特性（以dB为单位），另一张图显示频率中的相位特性（以°为单位）。直接在图中迹线上将标记拖拽至所需位置。图例可显示标记坐标。为确定交叉频率，将一个标记设置为0dB，将另一个标记设置为-180°相移，现在可轻松确定相位和增益裕度。在表格中查看结果。测量结果表格包含每个测量点的详细信息（频率、增益和相移）。使用标记时，结果表格中的相关行将高亮显示。可将屏幕截图和/或表格结果快速保存至USB设备以生成测试报告。