ZDS3024電源測試定制版示波器路測試結(jié)果分析

在ZDS3024電源測試定制版示波器上，我們顛覆性地免費標配了環(huán)路分析功能。工程師可以通過示波器直接測試開關電源等閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖，從而更加深入地了解系統(tǒng)穩(wěn)定性。那么我們該如何解讀環(huán)路分析的測試結(jié)果呢？

開關電源的穩(wěn)定性關系到整個應用系統(tǒng)的可靠性，利用伯德圖可以看出在不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位，因此通過伯德圖分析環(huán)路特性已經(jīng)成為評估開關電源是否可靠的重要手段。在研發(fā)期間，環(huán)路分析可以提供直觀的數(shù)據(jù)對比，從而幫助工程師快速判斷系統(tǒng)優(yōu)化方向，驗證設計思路。

下面我們從幾個方面來簡述環(huán)路測試結(jié)果的分析及其注意事項。

一、環(huán)路模型分析及核心指標解讀

穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)通常是閉環(huán)系統(tǒng)（帶反饋），控制器根據(jù)系統(tǒng)的實際輸出與理想輸出的偏差來設計控制算法，力求輸出值逼近設定值。圖1所示為反饋環(huán)路控制部分中的運放閉環(huán)增益模型，其傳遞函數(shù)為：

圖1 閉環(huán)增益模型

模型分析1

如果變換器中沒有引入反饋控制環(huán)路（即圖1中H(s)部分），此時輸出隨輸入的變化而線性變化，沒有穩(wěn)壓作用。如果反饋環(huán)路設計的不好，環(huán)路就不能做出對負載的瞬態(tài)改變做出及時調(diào)整，那么輸出電源瞬間的變化就可能會造成電源系統(tǒng)振蕩，從而對下一級構(gòu)成損壞。

模型分析2

模型中放大器的開環(huán)增益G(s)會隨著頻率的增加而減小，同時也與放大器相位有關，因此可以通過分析G(s)H(s)的增益和相位來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比如：當G(s)H(s)=-1，此時分母為0，即增益是無窮大的。那么任意小的輸入擾動都能引起輸出的無窮大，這樣勢必會導致輸出振蕩。

因此，我們可以通過環(huán)增益GH的頻率特性來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，伯德圖就是表示回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的工具。伯德圖及相關參數(shù)如圖2所示：

圖2 伯德圖及相關參數(shù)

伯德圖有以下3個核心指標：

穿越頻點：增益為0dB時對應的頻率；

相位裕度：增益為0dB時對應的相位差；

增益裕度：相位為0°時對應的增益差。

由此可見，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過伯德圖中的相位裕度，增益裕度，穿越頻點來衡量。系統(tǒng)開發(fā)前期，工程師可以使用Saber等仿真軟件進行環(huán)路設計模擬，在開發(fā)中后期則可以使用ZDS3024電源測試定制版示波器進行實際環(huán)路特性的驗證和優(yōu)化。

二、環(huán)路分析的伯德圖結(jié)果解讀

通過掃頻曲線伯德圖，可以直觀地看到整個頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢，從而非常方便地觀察和分析。ZDS3024電源測試定制版示波器的環(huán)路分析功能實測電源的掃頻曲線如下圖3所示。增益裕度（GM）和相位裕度（PM）信息顯示在掃頻界面的右上角。

圖3 實測掃頻曲線

以圖3的電源環(huán)路實際測試伯德圖為例，可以看出增益和相位曲線比較平滑，穿越斜率（近似-1）也很好，穿越頻點（621.4Hz）在該開關電源的合適范圍內(nèi)，同時相位裕度（45.43°）滿足要求，增益裕度（9.655dB）也基本滿足需求。

三、環(huán)路分析常見問題解析

問題1：如何通過伯德圖來判斷開關電源是否穩(wěn)定？

開關電源穩(wěn)定的判斷依據(jù)大致如下：

穿越頻點：建議為開關頻率的5%到20%；

相位裕度：要求一定要大于45°，建議45°到80°；

穿越斜率（0dB附近）：要求為單極點穿越，一般是要求穿越斜率在-1左右，即-20db/每十倍頻；

增益裕度： 建議大于10dB（注意，GM是正值，實際測量的增益值為負值，增益裕度 = 0db - 測量值）。

問題2：如何理解穿越頻點、相位裕度、穿越斜率和增益裕度？

穿越頻點

穿越頻點的頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應的快慢。一般認為帶寬越寬，其對負載動態(tài)響應的抑制能力就越好，過沖、欠沖越小，恢復時間也就越快，系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點的影響，以及開關頻率等其他因素的限制，電源的帶寬也不能無限制提高，一般取開關頻率的1/20到1/5。

相位裕度

相位裕度是確保在各種復雜條件下（包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負載變化、溫升等）系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定，使用在標稱輸入額定負載室溫下，要有45°的裕度；如果輸入電壓、負載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度也不應小于30°。相位裕度應保持在一定范圍內(nèi)，太小或太大都會影響系統(tǒng)對擾動的調(diào)節(jié)能力，因此建議是45°到80°為合適范圍。如下圖4所示。

圖4 同一條件下，不同相位裕度的調(diào)節(jié)能力

穿越斜率

對于穿越斜率在-1左右的條件，應當注意，并不是絕對要求開環(huán)增益曲線在穿越頻點附近的增益斜率為必須為-1，但是由于-1增益斜率對應的相位曲線相位延遲較小，且變化相對緩慢，因此它能夠保證，當某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略時，相位曲線仍將具有足夠的相位裕度，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

增益裕度

增益裕度為了不接近不穩(wěn)定點，一般認為10dB以上是必要的。

問題3：掃頻曲線的低頻段增益和相位曲線抖動較大，是什么原因？

分析：這種情況很有可能是在對應頻率下干擾較大，信噪比太低?？梢試L試注入電壓幅值提高。但是也要注意：過高的注入電壓可能會造成信號失真或者0dB穿越時對應的相位裕度結(jié)果不對。

最理想的改進方法是使用環(huán)路分析的分段幅值輸出功能，可以通過設置每10倍頻范圍的不同輸出幅值，來實現(xiàn)不同頻率范圍的不同注入電壓幅值。分段幅值的參數(shù)設置如下圖5所示。

圖5 分段幅值參數(shù)設置

四、環(huán)路分析的操作步驟

1、尋找干擾信號注入點

在電壓反饋型的開關電源電路中，測試信號注入點為反饋回路的取樣點與輸出電壓點之間。要辨別采樣點比較簡單，只需觀察反饋電壓由輸出電壓的哪條支路分壓得到即可。

注入電阻可選擇5到100歐的電阻，這種電阻在反饋電路中影響不大，推薦在系統(tǒng)設計時就提前預留此電阻。

2、注入信號幅度調(diào)節(jié)

注入信號的幅度經(jīng)驗值可設為輸出電壓的5%。如果幅度不能過小，示波器可能無法識別；過大則可能使系統(tǒng)出現(xiàn)非線性導致測量失真。另外環(huán)路分析功能還具備分段幅值的設置功能。

3、掃描頻率范圍設定

由于系統(tǒng)的穿越頻點大致為開關頻率的1/20到1/5左右，因此掃頻范圍應設在穿越頻點附近的范圍，在這個范圍內(nèi)，一般可以找到環(huán)路的穿越頻點點。此處留意環(huán)路系統(tǒng)穿越頻點不能過低，否則環(huán)路無法響應高頻的負載波動，從而引起輸出電壓的噪聲。

4、測試探頭的使用

由于注入信號幅度微弱，推薦選用1X衰減的探頭測試。若使用10X，則信號衰減后很容易被噪聲淹沒。在接地時也盡量使用接地彈簧，而不是接地夾子。

5、PM/GM顯示值

環(huán)路掃頻結(jié)束后會計算PM和GM值，GM值是當相位曲線第一次穿越0°時的頻率點，0db與該頻率點的增益測量值的差值，即GM=0db - 增益測量值@相位第一次穿越0°的頻點，因此正常情況下該頻點的增益測量值為負值，GM值為正值。而PM值為增益曲線第一次穿越0db的頻點對應的相位測量值與0°的差值，如果該頻點之前相位曲線存在360°的翻轉(zhuǎn)，則PM值會在0db頻點的相位測量值的基礎上加上翻轉(zhuǎn)相位值。

總結(jié)：

ZDS3024電源測試定制版示波器標配的環(huán)路測試分析軟件不僅有完善的環(huán)路測試方法和精準的測量精度，并且對測試操作和用戶體驗進行了創(chuàng)新性地設計，其專業(yè)程度媲美專業(yè)頻率響應分析儀。歡迎各位電源工程師前往官網(wǎng)進行固件升級體驗。