电源控制环路响应 ( 伯德图 ) 测量
序言
示波器是电源测试和表征的最重要测量工具。目前，许多示波器 ( 包括 Keysight In?niiVision X 系列 ) 可以提供特殊的功率测量选件，以帮助工程 师自动完成很多重要测量。图 1 显示了 Keysight In?niiVision 3000T、4000 和 6000 X 系列示波器使用功率测量选件 (DSOX3PWR、DSOX4PWR、 DSOX6PWR) 完成的一系列电源特征测量。
频率响应测量是是德科技独有 的测量功能，它包括控制环路响应 ( 伯德图 ) 和电源抑制比 (PSRR)。此类 特定的激励响应测量通常是由低频网络分析仪完成。但是由于 Keysight In?niiVision X 系列示波器内置了函数 / 任意波形发生器，所以也可用于此类测量
图 1：使用 Keysight In?niiVision X 系列示波器完成的电源表征测量
控制环路响应 ( 伯德图 )
电源实际上是一个包含了负反馈控制环路的放大器，如图 2 所示。这意味着虽然您可 以把电源看作是一个直流放大器，但它实际上会放大交流信号并对输出条件的变化作出 响应，比如负载变化。
为了完成控制环路响应测试，您需要跨越一个频段把一个误差信号注入到控制环路的反 馈路径中。在图中，这个反馈路径就是指 R1 和 R2 的电阻分压器网络。我们需要把一 个较小的电阻器插入到反馈环路中，才能注入一个误差信号。原理图中显示的这个 5 Ω 注入电阻与 R1 和 R2 串联阻抗相比是微不足道的。所以，您也许可以考虑把这个低值 注入电阻器 (Rinj) 作为长久使用的测试器件。另外使用一个注入变压器 ( 例如 Picotest J2101A) 来隔离这个交流干扰信号，从而不产生任何的直流偏置。
此处的测量系统是一台内置 WaveGen 函数 /任意波形发生器的 In?niiVision X 系列示波 器，可以测量在反馈网络 (Vin) 的顶部和电源稳压直流输出 (Vout) 处的交流电压电平。 示波器还可以计算在扫描频段内每个频率点上的增益，dB= 20Log(Vout/Vin)。同时还 测量 Vin 和 Vout 之间的相位差。
图 2：控制环路响应测试所用的电源闭环反馈网络和示波器连接设置
输入和输出探测
性能良好的探测技术是控制环路响应测试的必备条件。因为 Vin 和 Vout 的峰峰值幅度 实际上很低 ( 有些测试频率上的幅度低至子毫伏 )，这意味着必须使用 1:1 无源探头探 测示波器的两个输入通道。另外，恰当的探头接地也是必要的。如果您使用的是具有 1:1 无源探头的标配接地线，这些探头可作为天线来拾取空气中的大量噪声，以便降低测量 的动态范围。使用一个接地短弹簧夹适配器 ( 通常作为探头的附件一起提供，参见图 3 所示的插图 ) 可提供最佳的低噪声信号保真度，使用焊入式探头插座则性能更好。
图 3 显示了使用 Picotest J2101A 注入变压器在 Picotest 3.3V 线性稳压器评估板上执行 控制环路响应测量的实际测试装置。注意：该探头插座在输入和输出探测点上构成了稳 固的接地连接 ( 无需天线！ )。
图 3：使用示波器的两个通道来探测直流 - 直流变换器
执行控制环路响应测量
在所有通向被测器件的连接都已完成后，首先在功率分析 (Power Analysis) 菜单中选择 控制环路响应 (Control Loop Response) 测量。打开信号 (Signals) 子菜单，设置使用示 波器的哪些通道探测输入端和输出端。例如，输入 = 通道 1，输出 = 通道 2。接下来， 选择设置 (Settings) 子菜单并设置测试参数，包括起始频率 (Start Frequency)、终止频 率 (Stop Frequency) 和 WaveGen 幅度。虽然输入干扰信号的幅度越高越能提供更高的 动态范围测量，但是如果幅度设置得过高则会产生非线性失真。在设置(Settings)菜单中， 您还可以设置最大和最小容积率 (dB)。
只需按下应用 (Apply) 即可开始控制环路响应测量。在单次扫描测试过程中，示波器从 内部触发这个 WaveGen 信号以实现极其稳定的触发。在每个测试频率上，示波器会自 动优化输入和输出波形的垂直标度，并且求取 8 次平均值，以达到去除随机噪声和提 供最大动态范围的目的。测得的输入和输出信号幅度往往低至子毫伏，并被示波器的本 底噪声掩盖。随着测试的进行，示波器将在显示屏上绘制增益图 (dB)。
图 4 显示了使用 In?niiVision X 系列示波器执行控制环路响应测试时得到的增益图。该 测试使用了 100 Hz 至 10 MHz 的扫描频率。输入干扰信号的幅度被设置为 130 mVpp， 但是在 5 Ω 注入电阻上，输入信号的幅度因为受到注入变压器的低输入阻抗影响下降 到了 13 mVpp 左右。在完成扫描测量后，0 dB 交叉点在大约 6.6 kHz 频率上进行测量。
图 4：使用 In?niiVision X 系列示波器执行控制环路响应增益测量
在增益测量结束后，相位图如图 5 所示。可以看出，图中仅绘制了 800 Hz 到 100 kHz 之间的相位。为了执行相位测量，Vin 和 Vout 的幅度必须近似 1 mVpp 或更高。在光标 停在 6.61 kHz(0 dB 交叉频率 ) 上时，示波器测得的相位裕量约为 56 °。因为测量具有 低电平输入，所以示波器无法测量增益裕量。
图 5：测量 0 dB 交叉频率上的相位裕量
总结
示波器作为最重要的测量工具，工程师使用它对电源设计进行测试和表征。 但是， 大多数示波器在执行频率响应测量时有很大的局限性，例如控制环路响应。Keysight In?niiVision X 系列是业界首款能够自动执行控制环路响应测量的示波器。虽然示波器的 动态范围和精度与低频网络分析仪相比不够出众，但实际上也是够用的。我们将示波器 与网络分析仪进行同类产品测试比较，从中可知：在低噪声直流输出上表征线性电源时， In?niiVision X 系列示波器测得的增益和相位测量结果非常接近于网络分析仪。
系统要求
使用 Keysight In?niiVision 3000T、4000、6000 X 系列示波器执行控制环路响应测试， 需要示波器配置有功率测量选件许可证 (DSOX3PWR、DSOX4PWR、DSOX6PWR)。 不要求使用 WaveGen 选件。示波器在执行单次控制环路响应测量时将会自动打 开 WaveGen。如欲探测低电平输入和输出信号，建议使用两个 1:1 无源探头 ( 例如 N2870A)。如欲在示波器 WaveGen 输出到电源反馈网络之间耦合并隔离输入干扰信号， 需要使用隔离变压器，例如 Picotest J2101A 注入变压器。如欲了解 Picotest 产品的更 多信息，请访问：www.picotest.com。
除了上述的最低系统要求外，3000T 或 4000 X 系列示波器必须运行固化软件版本 4.06 或更高版本，6000 X 系列示波器必须运行固化软件版本 6.10 或更高版本。
编辑：admin 最后修改时间：2023-07-15
