磁性元件、變壓器、電容發(fā)出噪聲、直流紋波偏大、輸出電壓震蕩、功率器件過(guò)熱……電源研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)遇到的這些問(wèn)題，往往是控制環(huán)路不穩(wěn)定引起的，伯德圖告訴你如何解決！
為什么要測(cè)環(huán)路？
環(huán)路分析作為檢驗(yàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段之一，在許多應(yīng)用場(chǎng)合都有其相應(yīng)的應(yīng)用，在開(kāi)關(guān)電源、運(yùn)放反饋網(wǎng)絡(luò)中，環(huán)路測(cè)試可以清晰準(zhǔn)確的測(cè)試出開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，可以為電子工程師設(shè)計(jì)穩(wěn)定的控制電路提供直觀的數(shù)據(jù)參考。而環(huán)路分析的測(cè)量方式可以大大減少環(huán)路穩(wěn)定性的驗(yàn)證周期，并且具備直觀的波形曲線(xiàn)圖顯示，方便觀察和分析。
圖1 AC-DC開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋱D
環(huán)路分析測(cè)試原理
環(huán)路分析可以?huà)哳l或單頻點(diǎn)測(cè)試，掃頻測(cè)試的原理主要是給開(kāi)關(guān)電源電路注入一個(gè)頻率變化的正弦信號(hào)，測(cè)量開(kāi)關(guān)電源在頻域上的特性，通過(guò)分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來(lái)判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，此外，還可以通過(guò)伯德圖顯示不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位。在產(chǎn)品研發(fā)期間，工程師往往需要反復(fù)的修改和調(diào)試電路，此時(shí)環(huán)路分析可以提供直觀的數(shù)據(jù)對(duì)比，快速判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，增強(qiáng)工程師對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的信心！
圖2 ZDS4000/3000系列環(huán)路分析界面
環(huán)路分析測(cè)試步驟
1、搭建環(huán)路分析測(cè)試系統(tǒng)
為了完成控制環(huán)路相應(yīng)的測(cè)試，需要將一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)（一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號(hào)或單一頻點(diǎn)正弦波信號(hào)）注入到控制環(huán)路的反饋路徑中，這個(gè)反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。此外我們還需要將一個(gè)阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中才能注入一個(gè)誤差信號(hào)。如下圖3.1中標(biāo)注的注入電阻為5Ω，注入電阻與R1和R2串聯(lián)阻抗相比是微不足道的，所以用戶(hù)可以考慮把這個(gè)低阻值注入電阻作為長(zhǎng)久使用的測(cè)試器件。另外還需要使用一個(gè)隔離變壓器來(lái)隔離這個(gè)交流干擾信號(hào)，從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。
測(cè)試信號(hào)接線(xiàn)如圖3.1所示，通過(guò)示波器控制信號(hào)發(fā)生器輸出所需的頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離變壓器后注入到注入電阻兩端，示波器同步使用X1衰減比的探頭進(jìn)行測(cè)試，且在接地時(shí)盡量使用接地彈簧替代接地夾子。
圖3.1 環(huán)路測(cè)試信號(hào)接線(xiàn)
2、參數(shù)設(shè)置
完成接線(xiàn)后我們需要在ZDS4000/3000系列示波器上進(jìn)行環(huán)路測(cè)試關(guān)鍵參數(shù)的配置：
﹒注入通道：指連接注入基準(zhǔn)信號(hào)的通道，以該通道為當(dāng)前頻率的基準(zhǔn)；
﹒輸出通道：指連接反饋輸出信號(hào)的通道；
﹒測(cè)量選項(xiàng)：可選增益-相位、阻抗-相位、幅值-相位和THD-相位；
﹒測(cè)量模式：可選擇掃頻或單點(diǎn)；
﹒最小頻率：掃頻的最小頻率值，掃頻范圍最小值可選10Hz~20MHz；
﹒最大頻率：掃頻的最大頻率值，掃頻范圍最大值可選100MHz~30MHz；
﹒濾波使能：是否使能掃頻時(shí)開(kāi)啟數(shù)字濾波；
﹒濾波類(lèi)型：當(dāng)使能濾波后，可選擇低通或帶通濾波；
﹒截止頻率/中心頻率：低通濾波或帶通濾波的頻率設(shè)置；
﹒十倍頻點(diǎn)數(shù)：設(shè)置信號(hào)發(fā)生模塊在對(duì)數(shù)下10倍頻點(diǎn)下的輸出的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)，例如100Hz到1KHz之間的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)；
﹒輸出電壓：設(shè)置信號(hào)發(fā)生模塊的輸出電壓峰峰值；
﹒輸出阻抗：設(shè)置信號(hào)發(fā)生模塊的輸出阻抗，需要與被測(cè)電路的阻抗匹配；
﹒分段幅值：設(shè)置為ON時(shí)，可以當(dāng)前設(shè)置的掃頻范圍內(nèi)的每個(gè)10倍頻點(diǎn)進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)，如果設(shè)置為OFF，則統(tǒng)一使用一個(gè)幅值。
圖3.2 參數(shù)設(shè)置界面
3、開(kāi)始測(cè)試
設(shè)置無(wú)誤后，可以通過(guò)示波器面板上【Run/Stop】按鍵或點(diǎn)擊菜單【運(yùn)行停止按鈕】啟動(dòng)測(cè)試，測(cè)試啟動(dòng)后，界面會(huì)切換到環(huán)路掃頻運(yùn)行界面，該界面會(huì)根據(jù)當(dāng)前采樣到的頻率、相位差、增益，不斷地自動(dòng)繪制出頻率與相位、頻率與增益的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，并且根據(jù)曲線(xiàn)的范圍，自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示的垂直刻度。其中，藍(lán)色曲線(xiàn)為增益曲線(xiàn)，橙色曲線(xiàn)為相位曲線(xiàn)。如下圖3.3所示：
圖3.3 掃頻測(cè)試運(yùn)行界面
結(jié)果分析
通過(guò)掃頻曲線(xiàn)伯德圖，可以直觀的看到整個(gè)頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢(shì)，增益裕度（GM）和相位裕度（PM）信息顯示在掃頻界面的右上角，相位裕度（PM）是指增益穿越0dB時(shí)的相位值，增益裕度（GM）是指相位穿越0°的增益值，PM和GM是衡量開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定的一個(gè)重要指標(biāo)。
圖4 實(shí)測(cè)掃頻曲線(xiàn)
通過(guò)最終的掃頻曲線(xiàn)如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定？
1、穿越頻率（增益為0dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率）：建議為開(kāi)關(guān)頻率的5%~20%；
2、相位裕度（增益為0dB時(shí)對(duì)應(yīng)的相位）：要求一定要大于45°，建議45°~80°；
3、穿越斜率（0dB附近）：要求為單極點(diǎn)穿越，一般是要去穿越斜率在-1左右，即-20dB/十倍頻；
4、增益裕度（相位為0°時(shí)對(duì)應(yīng)的增益差）：建議大于10dB（注意，GM是正值，實(shí)際測(cè)量的增益值為負(fù)值，增益裕度 = 0bB – 測(cè)量值）。
