電源控制環(huán)路響應(yīng) ( 伯德圖 ) 測量
序言
示波器是電源測試和表征的最重要測量工具。目前，許多示波器 ( 包括 Keysight In?niiVision X 系列 ) 可以提供特殊的功率測量選件，以幫助工程 師自動完成很多重要測量。圖 1 顯示了 Keysight In?niiVision 3000T、4000 和 6000 X 系列示波器使用功率測量選件 (DSOX3PWR、DSOX4PWR、 DSOX6PWR) 完成的一系列電源特征測量。
頻率響應(yīng)測量是是德科技獨(dú)有 的測量功能，它包括控制環(huán)路響應(yīng) ( 伯德圖 ) 和電源抑制比 (PSRR)。此類 特定的激勵響應(yīng)測量通常是由低頻網(wǎng)絡(luò)分析儀完成。但是由于 Keysight In?niiVision X 系列示波器內(nèi)置了函數(shù) / 任意波形發(fā)生器，所以也可用于此類測量
圖 1：使用 Keysight In?niiVision X 系列示波器完成的電源表征測量
控制環(huán)路響應(yīng) ( 伯德圖 )
電源實(shí)際上是一個(gè)包含了負(fù)反饋控制環(huán)路的放大器，如圖 2 所示。這意味著雖然您可 以把電源看作是一個(gè)直流放大器，但它實(shí)際上會放大交流信號并對輸出條件的變化作出 響應(yīng)，比如負(fù)載變化。
為了完成控制環(huán)路響應(yīng)測試，您需要跨越一個(gè)頻段把一個(gè)誤差信號注入到控制環(huán)路的反 饋路徑中。在圖中，這個(gè)反饋路徑就是指 R1 和 R2 的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。我們需要把一 個(gè)較小的電阻器插入到反饋環(huán)路中，才能注入一個(gè)誤差信號。原理圖中顯示的這個(gè) 5 Ω 注入電阻與 R1 和 R2 串聯(lián)阻抗相比是微不足道的。所以，您也許可以考慮把這個(gè)低值 注入電阻器 (Rinj) 作為長久使用的測試器件。另外使用一個(gè)注入變壓器 ( 例如 Picotest J2101A) 來隔離這個(gè)交流干擾信號，從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。
此處的測量系統(tǒng)是一臺內(nèi)置 WaveGen 函數(shù) /任意波形發(fā)生器的 In?niiVision X 系列示波 器，可以測量在反饋網(wǎng)絡(luò) (Vin) 的頂部和電源穩(wěn)壓直流輸出 (Vout) 處的交流電壓電平。 示波器還可以計(jì)算在掃描頻段內(nèi)每個(gè)頻率點(diǎn)上的增益，dB= 20Log(Vout/Vin)。同時(shí)還 測量 Vin 和 Vout 之間的相位差。
圖 2：控制環(huán)路響應(yīng)測試所用的電源閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)和示波器連接設(shè)置
輸入和輸出探測
性能良好的探測技術(shù)是控制環(huán)路響應(yīng)測試的必備條件。因?yàn)?Vin 和 Vout 的峰峰值幅度 實(shí)際上很低 ( 有些測試頻率上的幅度低至子毫伏 )，這意味著必須使用 1:1 無源探頭探 測示波器的兩個(gè)輸入通道。另外，恰當(dāng)?shù)奶筋^接地也是必要的。如果您使用的是具有 1:1 無源探頭的標(biāo)配接地線，這些探頭可作為天線來拾取空氣中的大量噪聲，以便降低測量 的動態(tài)范圍。使用一個(gè)接地短彈簧夾適配器 ( 通常作為探頭的附件一起提供，參見圖 3 所示的插圖 ) 可提供最佳的低噪聲信號保真度，使用焊入式探頭插座則性能更好。
圖 3 顯示了使用 Picotest J2101A 注入變壓器在 Picotest 3.3V 線性穩(wěn)壓器評估板上執(zhí)行 控制環(huán)路響應(yīng)測量的實(shí)際測試裝置。注意：該探頭插座在輸入和輸出探測點(diǎn)上構(gòu)成了穩(wěn) 固的接地連接 ( 無需天線！ )。
圖 3：使用示波器的兩個(gè)通道來探測直流 - 直流變換器
執(zhí)行控制環(huán)路響應(yīng)測量
在所有通向被測器件的連接都已完成后，首先在功率分析 (Power Analysis) 菜單中選擇 控制環(huán)路響應(yīng) (Control Loop Response) 測量。打開信號 (Signals) 子菜單，設(shè)置使用示 波器的哪些通道探測輸入端和輸出端。例如，輸入 = 通道 1，輸出 = 通道 2。接下來， 選擇設(shè)置 (Settings) 子菜單并設(shè)置測試參數(shù)，包括起始頻率 (Start Frequency)、終止頻 率 (Stop Frequency) 和 WaveGen 幅度。雖然輸入干擾信號的幅度越高越能提供更高的 動態(tài)范圍測量，但是如果幅度設(shè)置得過高則會產(chǎn)生非線性失真。在設(shè)置(Settings)菜單中， 您還可以設(shè)置最大和最小容積率 (dB)。
只需按下應(yīng)用 (Apply) 即可開始控制環(huán)路響應(yīng)測量。在單次掃描測試過程中，示波器從 內(nèi)部觸發(fā)這個(gè) WaveGen 信號以實(shí)現(xiàn)極其穩(wěn)定的觸發(fā)。在每個(gè)測試頻率上，示波器會自 動優(yōu)化輸入和輸出波形的垂直標(biāo)度，并且求取 8 次平均值，以達(dá)到去除隨機(jī)噪聲和提 供最大動態(tài)范圍的目的。測得的輸入和輸出信號幅度往往低至子毫伏，并被示波器的本 底噪聲掩蓋。隨著測試的進(jìn)行，示波器將在顯示屏上繪制增益圖 (dB)。
圖 4 顯示了使用 In?niiVision X 系列示波器執(zhí)行控制環(huán)路響應(yīng)測試時(shí)得到的增益圖。該 測試使用了 100 Hz 至 10 MHz 的掃描頻率。輸入干擾信號的幅度被設(shè)置為 130 mVpp， 但是在 5 Ω 注入電阻上，輸入信號的幅度因?yàn)槭艿阶⑷胱儔浩鞯牡洼斎胱杩褂绊懴陆?到了 13 mVpp 左右。在完成掃描測量后，0 dB 交叉點(diǎn)在大約 6.6 kHz 頻率上進(jìn)行測量。
圖 4：使用 In?niiVision X 系列示波器執(zhí)行控制環(huán)路響應(yīng)增益測量
在增益測量結(jié)束后，相位圖如圖 5 所示。可以看出，圖中僅繪制了 800 Hz 到 100 kHz 之間的相位。為了執(zhí)行相位測量，Vin 和 Vout 的幅度必須近似 1 mVpp 或更高。在光標(biāo) 停在 6.61 kHz(0 dB 交叉頻率 ) 上時(shí)，示波器測得的相位裕量約為 56 °。因?yàn)闇y量具有 低電平輸入，所以示波器無法測量增益裕量。
圖 5：測量 0 dB 交叉頻率上的相位裕量
總結(jié)
示波器作為最重要的測量工具，工程師使用它對電源設(shè)計(jì)進(jìn)行測試和表征。 但是， 大多數(shù)示波器在執(zhí)行頻率響應(yīng)測量時(shí)有很大的局限性，例如控制環(huán)路響應(yīng)。Keysight In?niiVision X 系列是業(yè)界首款能夠自動執(zhí)行控制環(huán)路響應(yīng)測量的示波器。雖然示波器的 動態(tài)范圍和精度與低頻網(wǎng)絡(luò)分析儀相比不夠出眾，但實(shí)際上也是夠用的。我們將示波器 與網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行同類產(chǎn)品測試比較，從中可知：在低噪聲直流輸出上表征線性電源時(shí)， In?niiVision X 系列示波器測得的增益和相位測量結(jié)果非常接近于網(wǎng)絡(luò)分析儀。
系統(tǒng)要求
使用 Keysight In?niiVision 3000T、4000、6000 X 系列示波器執(zhí)行控制環(huán)路響應(yīng)測試， 需要示波器配置有功率測量選件許可證 (DSOX3PWR、DSOX4PWR、DSOX6PWR)。 不要求使用 WaveGen 選件。示波器在執(zhí)行單次控制環(huán)路響應(yīng)測量時(shí)將會自動打 開 WaveGen。如欲探測低電平輸入和輸出信號，建議使用兩個(gè) 1:1 無源探頭 ( 例如 N2870A)。如欲在示波器 WaveGen 輸出到電源反饋網(wǎng)絡(luò)之間耦合并隔離輸入干擾信號， 需要使用隔離變壓器，例如 Picotest J2101A 注入變壓器。如欲了解 Picotest 產(chǎn)品的更 多信息，請?jiān)L問：www.picotest.com。
除了上述的最低系統(tǒng)要求外，3000T 或 4000 X 系列示波器必須運(yùn)行固化軟件版本 4.06 或更高版本，6000 X 系列示波器必須運(yùn)行固化軟件版本 6.10 或更高版本。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2023-07-15
