深度解析環(huán)路分析測試原理

開關(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率，已經(jīng)成為了電源的主流產(chǎn)品。與此同時，環(huán)路分析測試作為其重要的測試方法也越來越被大家所使用。本文將深入介紹該測試方法的原理和應用。

環(huán)路測試

開關(guān)電源是一種典型的反饋控制系統(tǒng)，其有響應速度和穩(wěn)定性兩個重要的指標。響應速度就是當負載變化或者輸入電壓變化時，電源能迅速做出調(diào)整的速度。因為開關(guān)電源的負載多數(shù)情況下都是數(shù)字IC，其電流會隨著邏輯功能的變化而變化，比如FPGA在進行配置時，電流會增大一倍以上。而開關(guān)電源的輸入電壓也會有一定程度的波動。為了保證電源穩(wěn)定輸出，不產(chǎn)生跌落或者過沖，就要求電源必須迅速做出調(diào)整，使得最終輸出的電壓沒有變化。而電源的響應速度就決定了電源的調(diào)整速度。

由于電源加入了反饋系統(tǒng)，就可能發(fā)生震蕩。如果電源系統(tǒng)的參數(shù)沒有設(shè)置好，就會產(chǎn)生震蕩，結(jié)果就是電壓上會被疊加一個固定頻率的波動。導致電源不穩(wěn)定。

開關(guān)電源如下圖所示：

圖1 開關(guān)電源調(diào)試

從開關(guān)電源的框圖中可以看出，該系統(tǒng)是通過一個反饋電路，將最終輸出的變化反饋給比例電路，經(jīng)過比例電路的等比例衰減，輸入到誤差放大器中。而后誤差放大器通過比較該信號和內(nèi)部參考信號的差異，來驅(qū)動后級脈寬調(diào)制器等一系列的輸出環(huán)節(jié)，最終與干擾信號相互抵消，從而保證電源的穩(wěn)定。

那應該如何測量出電源的響應速度和穩(wěn)定性呢，在早期的調(diào)試中，大家會使用一個可變的電子負載來進行測試，但是由于現(xiàn)在的電子負載的變化頻率遠遠低于開關(guān)電源的開關(guān)頻率，該方法逐漸的不被大家所使用。目前比較常見的測試方式就是環(huán)路測試法。環(huán)路測試法就是向反饋回路中注入一個個單一頻率的正弦波序列信號，然后根據(jù)電源系統(tǒng)的輸出情況來判斷其對各個頻率干擾的調(diào)整能力。其環(huán)路響應的Gain越高，就說明電源對該頻段的抗干擾能力越強。

環(huán)路測試框圖如下所示：

圖2 環(huán)路測試框圖

從上圖可以看出，環(huán)路測試實際上是將干擾信號通過反饋電路注入到誤差放大器中，而后查看誤差放大器加后級輸出環(huán)節(jié)的級聯(lián)響應。誤差放大器的響應實際上就是該誤差放大器的開環(huán)增益。所以環(huán)路的根本目的如下圖所示：

圖3 環(huán)路測試根本目的

隨著一個個頻率信號的掃描，最終將各個頻道的環(huán)路增益繪制在一張圖上，就會得到一幅很直觀的頻域特性圖。

最終環(huán)路特性曲線如下圖所示：

圖4 環(huán)路相應曲線

根據(jù)這張圖，我們就可以判斷電源設(shè)計是否穩(wěn)定，是否有優(yōu)化的空間。曲線的穩(wěn)定性判定標準如下：

穿越頻率：建議為開關(guān)頻率的5%到20%，過高則不穩(wěn)定，過低則響應速度過慢。

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。

干擾信號注入原理

干擾信號具體要如何注入到誤差放大器呢，誤差放大器的開環(huán)增益都非常大，都有60db左右。那么為了不使誤差放大器輸出飽和，輸入信號必須在-50dbm左右，大概2mv左右，這個信號幅度太小，產(chǎn)生過于困難，一般的電磁噪聲信號都要高過這個信號的幅度。顯然這樣直接注入是不可行的。為了能夠成功注入干擾信號，我們需要利用反饋來進行。

想要闡述明白干擾信號的輸入方式，必須先對反饋做一下說明。

什么是反饋？除了數(shù)學公式，這個概念比較難描述，大家可以思考一個小時候經(jīng)常玩的倒立擺，眼睛，大腦，手形成了一個反饋系統(tǒng)。眼睛會根據(jù)木棍的擺動情況反饋給大腦，大腦再控制手來進行移動，從而保持木棍的直立不倒。如下圖所示：

圖5 倒立擺示意圖

這個系統(tǒng)就是最簡單的反饋系統(tǒng)，眼睛對應的就是反饋電路和比例電路，大腦對應的就是放大器，神經(jīng)和手對應的就是脈寬調(diào)制器等輸出后級。

試想我們給上面系統(tǒng)中的眼睛與木棒之間加入一個濾鏡，該濾鏡的唯一作用就是讓木棒的圖像按固定的頻率左右搖擺。眼睛接受到這個擺動的景象后，發(fā)送信號給大腦，為了保持平衡，大腦開始操作手也左右搖擺。最終在濾鏡后的景象中看上去木棒已經(jīng)是在一個很小的幅度內(nèi)擺動，而實際上的木棒卻是在左右擺動，其擺動正好抵消濾鏡產(chǎn)生的作用。實際木棍的擺幅與景象中的小擺幅的比例，就是整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力了。

圖6 加入濾鏡的倒立擺系統(tǒng)

如果理解了上面的假想實驗，就應該明白，我們可以通過將反饋電路和比例電路斷開，將信號串入反饋電路和比例電路之間，就像那個濾鏡。注入源通過一個隔離變壓器，將干擾信號變成一個電流信號，在注入電阻兩端產(chǎn)生一個額外的壓差Vfg，而由于運放負反饋的虛短特性，此時誤差放大器會通過輸出來盡量調(diào)節(jié)使得運放正負端的電壓相等。這樣就會最終在輸出級產(chǎn)生一個△Vout，用來抵消注入電阻兩端的格外壓差Vfg。如果誤差放大器開環(huán)增益無限大的話，Vfg則會與△Vout完全相等。但是由于誤差放大器開環(huán)增益是有限的，就會最終導致產(chǎn)生一個△Vin，△Vin = Vfg - △Vout。而△Vin和△Vout的比例，就是整個環(huán)路的增益了。具體電路如下圖所示：

圖7 環(huán)路測試注入方式

注入點如何選擇

選擇注入點，有一個比較簡單的方法，對于電壓源就是找設(shè)計電路時，用來計算電壓的那兩個電阻。設(shè)計電路時是按哪個電阻來調(diào)整輸出的，就加到哪個電阻上。對于電流源，也與電壓源大致相同，不過電流源中一般是沒有R1或者R2，只要將注入電阻放在反饋電電路之后就可以了。

以下是幾種典型電路的注入點實例。

1、非隔離電壓環(huán)路：

圖8 非隔離電壓環(huán)路注入方式示意圖

2、隔離電壓環(huán)路：

圖9 隔離電壓環(huán)路注入方式示意圖

3、隔離電流環(huán)路：

圖10 隔離電流環(huán)路注入方式示意圖

總結(jié)

電源環(huán)路測試可以清晰準確的測試出開關(guān)電源的穩(wěn)定性和響應速度，對電源設(shè)計有很重要的意義。測試方法也相對簡單。但是實際測試中，由于開關(guān)電源系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的諧波，這些諧波會嚴重影響最終測試結(jié)果，所以一般的示波器是無法得到比較準確的結(jié)果。而ZDS4000示波器采用先進的FFT和FIR功能，將諧波的干擾降低到最小，同時大大提高了環(huán)路曲線的分辨率和準確性。其效果不遜色與專業(yè)的電源環(huán)路測試儀。