精準剖析電源穩定性：利用示波器執行控制迴路響應量測 (波德圖)
- Sonya Chan
- 9月21日
- 讀畢需時 4 分鐘
為確保電壓調節器與交換式電源供應器（例如多相降壓轉換器）的穩定性，必須對其控制迴路行為進行量測與特性分析，一個補償良好的電壓控制器能夠提供穩定的輸出電壓，並降低負載變動和電源電壓變化的影響，此控制電路的品質，決定了整個 DC/DC 轉換器的穩定性與動態響應。
羅德史瓦茲解決方案
利用R&S®MXOx-K36 頻率響應分析 (波德圖) 選項，您可以在示波器上輕鬆且快速地分析低頻響應 。此功能可對多種電子元件進行頻率響應的特性分析，包括被動濾波器和放大器電路 ，您也可以量測交換式電源供應器的控制迴路響應與電源供應抑制比 (PSRR) 。
R&S®MXOx-K36 頻率響應分析 (波德圖) 選項利用示波器內建的波形產生器，建立頻率範圍從 10 mHz 到 100 MHz 的激勵訊號 。透過在每個測試頻率下量測待測物 (DUT) 訊號輸入與輸出的比率，示波器會以對數方式繪製增益，並以線性方式繪製相位 。
R&S®MXOx-K36 頻率響應分析 (波德圖) 選項讓您能夠快速判定交換式電源供應器或線性調節器的增益邊限 (gain margin) 與相位邊限 (phase margin) ，這些量測有助於確定控制迴路的穩定性 。
R&S®MXOx-K36 頻率響應分析 (波德圖) 選項能夠顯示系統對於操作條件變化的響應，例如電源電壓變動或負載電流變動 。
量測設定
電源供應器的控制迴路會比較參考電壓 (Vref) 與回授電壓 (Vfeedback)，並建立一個負回授以確保穩定的輸出電壓，控制迴路響應測試需要在控制迴路的回授路徑中，注入一個涵蓋特定頻段的誤差訊號 ，為了注入誤差訊號，必須在回授迴路中插入一個小電阻 。如下一頁圖形「選擇正確的注入點」中所示的5 Ω 注入電阻，其阻值與 R1 和 R2 的串聯阻抗相比微不足道 。部分使用者會選擇在設計中永久保留這個低阻值的注入電阻 (Rinjection) 以利測試 ，而注入變壓器，例如 Picotest 的 J2100A，則可隔離交流失真訊號並消除任何直流偏壓 。
注入點與探測
要量測電壓回授迴路的迴路增益，需要在一個合適的點將迴路斷開 ，並在此點注入一個失真訊號 ，此失真訊號將在迴路電路中傳播 ，依據迴路增益的不同，注入的失真訊號會被放大或衰減，並且相位也會發生偏移；對於R&S®MXOx-K36 選項，失真訊號由示波器的產生器產生 ，示波器則量測迴路的轉移函數 。
為確保量測到的迴路增益等於實際的迴路增益，請選擇一個合適的點：
找到一個迴路被限制在單一路徑的點，以確保沒有平行的訊號流 。
確保在該點，迴路方向的阻抗遠大於反向阻抗 ，反向阻抗等於轉換器的輸出阻抗，這是一個非常低的值，約在數 mΩ 的範圍 ；而迴路方向的阻抗由補償器和分壓器構成，約在數 kΩ 的範圍 。
精確的控制迴路響應特性分析，有賴於良好的探測技巧 ，在某些測試頻率下，Vin 和 Vout 的峰對峰振幅可能非常低 ，這些值可能會被示波器的雜訊底層或待測物 (DUT) 本身的交換雜訊所掩蓋 ，因此，提高量測的訊噪比 (SNR) 將顯著改善頻率響應量測的動態範圍；大多數示波器通常配備雜訊較高的10:1 被動式探棒 ，改用低雜訊的1:1 被動式探棒將能減少量測雜訊並改善 SNR 。羅德史瓦茲推薦在此應用中使用具備38 MHz 頻寬的 R&S®RT‑ZP1X 1:1 被動式探棒 。
縮短探棒接地線的長度，可以將電感性接地迴路最小化 ，探棒的標準接地線有時會像天線一樣，放大不必要的交換雜訊 ，請在 Vin 和 Vout 測試點附近尋找一個接地點；使用R&S®RT-ZP1X 探棒隨附的接地彈簧來縮短接地連接 ，這將為您的量測提供一個良好的低雜訊接地 。
儀器設定 將示波器連接至待測電路後，請啟動應用程式：
設定介於10 mHz 與 100 MHz 之間的起始與停止頻率，並決定產生器輸出位準 。
設定每十倍頻點數以改善並調整擷取的解析度，示波器支援最高每十倍頻 500 點 。
設定產生器輸出的振幅輪廓 (amplitude profile)（最多 100 階），以抑制待測電路的雜訊行為 。
按下「執行」開始量測 ，量測結果會以增益／相位對頻率的圖形繪製 ，您可以將標記設定在您感興趣的點上 。
量測結果
波德圖呈現了電路的傳輸函數，並透過顯示振幅行為 (單位為 dB) 以及相位特性 (單位為度) 與輸入頻率的關係，協助驗證系統穩定性 ，可以將獨立的標記直接設定在繪製軌跡的所需位置上，旁邊會附有顯示標記座標的圖例，要判定交叉頻率 (crossover frequency)，可將一個標記設定在 0 dB，另一個標記設定在 –180° 相位移 ，如此一來便能輕易地判定相位與增益邊限 。
量測結果表提供了每個量測點的詳細資訊（頻率、增益和相位移） ，使用標記時，結果表中對應的列會被反白顯示 ，為了製作報告，您可以快速地將螢幕截圖、表格結果或兩者儲存至 USB 裝置 。
總結
示波器是現今工程師用以測試及特性分析其電源供應器設計的主要量測工具 ，R&S®MXOx-K36 頻率響應分析 (波德圖) 選項提供了一個具成本效益的替代方案，可取代低頻網路分析儀或專用的獨立頻率分析儀 。
