使用示波器測量電源的控制環路響應

雖然可以使用專用設備執行頻率響應分析，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。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定性。

雖然可以使用專用設備執行頻率響應分析，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。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定性。
頻率響應分析簡介
系統的頻率響應是一個與頻率相關的函數，表示系統輸入（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 G(s) 的系統。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 G(s) 有關。反饋系數“k”決定了輸入信號如何根據輸出端的負載進行調節。

圖 1：具有傳遞函數 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，以了解系統行為。這有助于表示環路在一定頻率范圍內的增益和相移，并提供有關控制環路速度和電源穩定性的寶貴信息。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 開創的控制系統設計方法。博德本人在他 1940 年發表于貝爾系統技術期刊的文章“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。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。
不穩定的電源或穩壓器可能會振蕩，從而導致控制環路帶寬上出現非常大的表觀紋波。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測量電路的實際增益和相位，我們可以獲得對設計穩定性的信心——這比僅依靠仿真要好得多。
執行控制回路響應測量需要用戶在一定頻率范圍內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。這使得評估裕量并將電路性能與模型進行比較變得容易。
控制環路響應測量的測試裝置如圖 2 所示。它包括測量軟件、函數發生器（內置于示波器中）、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

現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，分析軟件執行以下重要功能：
控制函數發生器
根據兩個電壓輸入計算和繪制增益 (20 Log V OUT /V IN )，其中 V IN 是來自函數發生器的激勵電壓
根據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置信號源，可用于通過隔離變壓器將信號注入環路反饋。對于此示例，任意波形/函數發生器在指定的頻率范圍內生成正弦波。DC-DC 轉換器或 LDO 必須在其反饋環路中配置一個小 (5–10 Ω) 注入電阻器/終端電阻器，以將來自函數發生器的干擾信號注入環路。注入信號的振幅必須保持較低，以避免過度驅動控制環路。
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）。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）

結論
大多數電源和穩壓器本質上都是帶有閉環反饋的放大器?？刂骗h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，而不會出現過度振鈴或振蕩。