磁性元件、变压器、电容发出噪声、直流纹波偏大、输出电压震荡、功率器件过热……电源研发设计时遇到的这些问题,往往是控制环路不稳定引起的,伯德图告诉你如何解决!

为什么要测环路?

环路分析作为检验控制系统稳定性的重要手段之一,在许多应用场合都有其相应的应用,在开关电源、运放反馈网络中,环路测试可以清晰准确的测试出开关电源的稳定性和响应速度,可以为电子工程师设计稳定的控制电路提供直观的数据参考。而环路分析的测量方式可以大大减少环路稳定性的验证周期,并且具备直观的波形曲线图显示,方便观察和分析。

图1 AC-DC开关电源拓扑图

环路分析测试原理

环路分析可以扫频或单频点测试,扫频测试的原理主要是给开关电源电路注入一个频率变化的正弦信号,测量开关电源在频域上的特性,通过分析穿越频率、增益裕度和相位裕度来判断环路是否稳定,此外,还可以通过伯德图显示不同频率下系统增益的大小和相位。在产品研发期间,工程师往往需要反复的修改和调试电路,此时环路分析可以提供直观的数据对比,快速判断系统是否达到稳定状态,增强工程师对产品设计的信心!

图2 ZDS4000/3000系列环路分析界面

环路分析测试步骤

1、搭建环路分析测试系统为了完成控制环路相应的测试,需要将一个扰动信号(一定幅度和频率范围的扫频正弦波信号或单一频点正弦波信号)注入到控制环路的反馈路径中,这个反馈路径就是指R1和R2的电阻分压器网络。此外我们还需要将一个阻值很小的注入电阻插入到反馈环路中才能注入一个误差信号。如下图3．1中标注的注入电阻为5Ω,注入电阻与R1和R2串联阻抗相比是微不足道的,所以用户可以考虑把这个低阻值注入电阻作为长久使用的测试器件。另外还需要使用一个隔离变压器来隔离这个交流干扰信号,从而不产生任何的直流偏置。

测试信号接线如图3．1所示,通过示波器控制信号发生器输出所需的频率信号,经过隔离变压器后注入到注入电阻两端,示波器同步使用X1衰减比的探头进行测试,且在接地时尽量使用接地弹簧替代接地夹子。

图3．1 环路测试信号接线

2、参数设置完成接线后我们需要在ZDS4000/3000系列示波器上进行环路测试关键参数的配置:

注入通道:指连接注入基准信号的通道,以该通道为当前频率的基准;

输出通道:指连接反馈输出信号的通道;

测量选项:可选增益-相位、阻抗-相位、幅值-相位和THD-相位;

测量模式:可选择扫频或单点;

最小频率:扫频的最小频率值,扫频范围最小值可选10Hz～20MHz;

最大频率:扫频的最大频率值,扫频范围最大值可选100MHz～30MHz;

滤波使能:是否使能扫频时开启数字滤波;

滤波类型:当使能滤波后,可选择低通或带通滤波;

截止频率/中心频率:低通滤波或带通滤波的频率设置;

十倍频点数:设置信号发生模块在对数下10倍频点下的输出的频点个数,例如100Hz到1KHz之间的频点个数;

输出电压:设置信号发生模块的输出电压峰峰值;

输出阻抗:设置信号发生模块的输出阻抗,需要与被测电路的阻抗匹配;

分段幅值:设置为ON时,可以当前设置的扫频范围内的每个10倍频点进行幅值调节,如果设置为OFF,则统一使用一个幅值。

图3．2 参数设置界面

3、开始测试

设置无误后,可以通过示波器面板上【Run/Stop】按键或点击菜单【运行停止按钮】启动测试,测试启动后,界面会切换到环路扫频运行界面,该界面会根据当前采样到的频率、相位差、增益,不断地自动绘制出频率与相位、频率与增益的动态曲线,并且根据曲线的范围,自动调节显示的垂直刻度。其中,蓝色曲线为增益曲线,橙色曲线为相位曲线。如下图3．3所示:

图3．3 扫频测试运行界面

结果分析

通过扫频曲线伯德图,可以直观的看到整个频率范围内的增益和相位变化趋势,增益裕度(GM)和相位裕度(PM)信息显示在扫频界面的右上角,相位裕度(PM)是指增益穿越0dB时的相位值,增益裕度(GM)是指相位穿越0°的增益值,PM和GM是衡量开关电源稳定的一个重要指标。

图4 实测扫频曲线

通过最终的扫频曲线

如何判断系统是否稳定?

1、穿越频率(增益为0dB时对应的频率):建议为开关频率的5%～20%;

2、相位裕度(增益为0dB时对应的相位):要求一定要大于45°,建议45°～80°;

3、穿越斜率(0dB附近):要求为单极点穿越,一般是要去穿越斜率在-1左右,即-20dB/十倍频;

4、增益裕度(相位为0°时对应的增益差):建议大于10dB(注意,GM是正值,实际测量的增益值为负值,增益裕度 = 0bB – 测量值)。