开关电源环路增益测试

用示波器测试电源环路稳定性的方法首先开关电源的环路补偿基础知识内容涉及广，需要的数理知识比较庞杂。

1、反馈控制系统开关电源是一种典型的反馈控制系统，其有响应速度和稳定性两个重要的指标。

响应速度就是当负载变化或者输入电压变化时，电源能迅速做出调整的速度。

因为开关电源的负载多数情况下都是数字IC，其电流会随着逻辑功能的变化而变化，比如FPGA在进行配置时，电流会增大一倍以上。

而开关电源的输入电压也会有一定程度的波动。

为了保证电源稳定输出，不产生跌落或者过冲，就要求电源必须迅速做出调整，使得最终输出的电压没有变化。

而电源的响应速度就决定了电源的调整速度。

由于电源加入了反馈系统，就可能发生震荡。

如果电源系统的参数没有设置好，就会产生震荡，结果就是电压上会被叠加一个固定频率的波动。

导致电源不稳定。

开关电源如下图所示：从开关电源的框图中可以看出，该系统是通过一个反馈电路，将最终输出的变化反馈给比例电路，经过比例电路的等比例衰减，输入到误差放大器中。

而后误差放大器通过比较该信号和内部参考信号的差异，来驱动后级脉宽调制器等一系列的输出环节，最终与干扰信号相互抵消，从而保证电源的稳定。

2、波特图幅度曲线的频率响应是电压增益改变与频率改变的关系,这种关系可以用波特图上一条以分贝(dB)来表示的电压增益比频率(Hz)曲线来描述.波特幅度图被绘成一种半对数曲线:x轴为采用对数刻度的频率(Hz),y轴则为采用线性刻度的电压增益(dB),波特图的另一半则是相位曲线(相移比频率),并被描述成以”度”来表示的相移比频率关系.波特相位曲线亦被绘成一种半对数曲线:x轴为采用对数刻度的频率(Hz),y轴为采用线性刻度的相移(度)。

很多同学容易把波特图看不明白，是因为用一个坐标系，把增益和相位画到一张图上，导致的认知错乱。

如下图，注意左边纵坐标是增益，单位是dB；右边的纵坐标是相位，单位是°。

横坐标是频率，是两个变量曲线共用的。

开关电源闭环反馈响应及测试开关电源依靠反馈控制环路来保证在不同的负载情况下得到所需的电压和电流。

反馈控制环路的设计影响到许多因素，包括电压调整、稳定性和瞬态响应。

当某个反馈控制环路在某个频率的环路增益为单位增益或更高且总的相位延迟等于360 时，反馈控制环路将会产生振荡。

稳定性通常用下面两个参数来衡量：相位裕量:当环路增益为单位增益时实际相位延迟与360 间的差值，以度为单位表示。

增益裕量:当总相位延迟为360 时，增益低于单位增益的量，以分贝为单位表示。

对多数闭环反馈控制系统，当环路增益大于0dB时，相位裕量都大于45 （小于315 ）。

当环路相位延迟达到360 时，增益裕量为-20dB或更低。

如果这些条件得到满足，控制环将具有接近最优的响应；它将是无条件稳定的，即不会阻尼过小也不会阻尼过大。

通过测量在远远超出控制环通常操作带宽的情况下控制环的频率响应，可以保证能够反映出所有可能的情况。

一个单输出开关电源的控制环增益和相位响应曲线。

测量是利用一个GP102增益相位分析仪（一种独立的用来评价控制环增益和相位裕量的仪器）进行的，然后输入到电子表软件中。

在这一例子中，从0dB增益交点到360 测量得到的相位裕量为82 （360 到278 ）。

从0dB增益交点到相位达到360 的增益裕量为-35dB。

把这些增益和相位裕量值与-20dB增益裕量和60 相位裕量的目标值相比较，可以肯定被测试电源的瞬态响应和调节是过阻尼的，也是不可接受的。

0dB交点对应的频率为160Hz，这导致控制环的响应太慢。

理想情况下，在1或2KHz处保持正的环增益是比较合适的，考虑到非常保守的增益和相位裕量，不必接近不稳定区即可改善控制环的动态特性。

当然需要对误差放大器补偿器件进行一些小的改动。

进行修改后，可以对控制环重新进行测试以保证其无条件稳定性。

通常可利用频率响应分析仪（FRA）或增益-相位分析仪进行这种测量。

这些仪器采用了离散傅里叶变换（DFT）技术，因为被测信号经常很小且被掩盖在噪声和电源开关台阶所产生的失真中。

电源环路测试原理
电源环路测试是一种测量电子设备电源质量的方法。

测试原理基于电源环路的一个基本特性：当电源开启时，电路中的电流会产生磁场，而磁场则会引起电路中的电压变化。

这个变化可以测量并分析，以了解电源质量的稳定性和噪声水平。

电源环路测试通常包括两个步骤：首先，对电源的输出进行瞬态测试，以了解电流和电压的瞬时响应。

其次，对电源的稳态行为进行测试，以了解长期运行时电源的稳定性。

在进行电源环路测试时，需要使用一些专用的测试仪器，例如示波器、信号分析仪和功率计等。

同时，还需要注意测试环境的干扰因素，例如电磁干扰和温度变化等，以保证测试结果的准确性和可靠性。

总之，电源环路测试是一种非常重要的测试方法，可以帮助工程师评估电子设备的电源质量和稳定性，从而提高设备的性能和可靠性。

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开关电源环路测试标准主要包括以下几个方面：
相位裕度：相位裕度是评估系统稳定性的重要指标。

在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立的作用，一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时的动态过程，二是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。

工程中认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。

在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。

如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。

穿越频率：穿越频率是环路测试中非常重要的一个参数，它指的是相位为-30°时对应的频率。

穿越频率建议为开关频率的5%到20%，过高则不稳定，过低则响应速度过慢。

增益裕度：增益裕度是评估系统稳定性的另一个重要指标。

增益裕度的定义是系统开环增益的倒数与系统开环增益幅度的倒数之差。

增益裕度的要求通常为大于10dB。

环路增益：环路增益是评估系统对干扰信号的抑制能力的重要指标。

在环路测试中，通常会向反馈回路中注入一个个单一频率的正弦波序列信号，然后根据电源系统的输出情况来判断其对各个频率干扰的调整能力。

环路增益越高，说明电源系统对该频段的抗干扰能力越强。

综上所述，开关电源环路测试标准主要包括相位裕度、穿越频率、增益裕度和环路增益等几个方面。

这些标准的设定是为了确保开关电源系统的稳定性和抗干扰能力，从而提高电源的整体性能和可靠性。

6.5 开关电源环路稳定的试验方法前面频率特性分析方法是以元器件小信号参数为基础，同时在线性范围内，似乎很准确。

但有时很难做到，例如电解电容ESR 不准确且随温度和频率变化；电感磁芯磁导率不是常数，还有由于分布参数或工艺限制，电路存在分布参数等等，使得分析结果不可能完全吻合，有时甚至相差甚远。

分析方法只是作为实际调试的参考和指导。

因此，在有条件的情况下，直接通过测量运算放大器以外的环路的频率响应，根据6.4节的理论分析，利用测得的频率特性选择Venable 误差放大器类型，对环路补偿，并通过试验检查补偿结果，应当说这是最直接和最可靠设计方法。

采用这个方法，你可以在一个星期之内将你的电源闭环调好。

前提条件是你应当有一台网络分析仪。

6.5.1 如何开环测试响应桥式、半桥、推挽、正激以及Buck 变换器都有一个LC 滤波电路，输出功率电路对系统性能影响最大。

为了讨论方便，以图6.31为例来说明测试方法，重画为图 6.48(a)。

电路参数为：输入电压115V ，输出电压为5V ，如前所述，滤波电感和电容分别为L =15μH ，C =2600μF ，PWM 控制器采用UC1524,它的锯齿波幅值为3V ，只用两路脉冲中的一路，最大占空比为0.5。

为了测量小信号频率特性，变换器必须工作在实际工作点：额定输出电压、占空比和给定的负载电流。

从前面分析知道，如果把开关电源看着放大器，放大器的输入就是参考电压。

从反馈放大器电路拓扑来说，开关电源的闭环是一个以参考电压为输入的电压串联负反馈电路。

输入电源的变化和/或负载变化是外界对反馈控制环路的扰动信号。

取样电路是一个电阻网络的分压器，分压比就是反馈系数，一般是固定的（R2/(R1+R2)）。

参考电压（相应于放大器的输入电压）稳定不变，即变化量为零，输出电压也不变(5V)。

如上所述，所有三种误差放大器都有一个原点极点。

在低频闭环时，由于原点极点增益随频率减少而增高（即在反馈回路电容）在很低频率，有一个最大增益，由误差放大器开环增益决定。

环路测试结果分析及注意事项在ZDS3024电源测试定制版示波器上，我们颠覆性地免费标配了环路分析功能。

工程师可以通过示波器直接测试开关电源等闭环系统的伯德图，从而更加深入地了解系统稳定性。

那么我们该如何解读环路分析的测试结果呢？开关电源的稳定性关系到整个应用系统的可靠性，利用伯德图可以看出在不同频率下系统增益的大小和相位，因此通过伯德图分析环路特性已经成为评估开关电源是否可靠的重要手段。

在研发期间，环路分析可以提供直观的数据对比，从而帮助工程师快速判断系统优化方向，验证设计思路。

下面我们从几个方面来简述环路测试结果的分析及其注意事项。

一、环路模型分析及核心指标解读稳定可靠的系统通常是闭环系统（带反馈），控制器根据系统的实际输出与理想输出的偏差来设计控制算法，力求输出值逼近设定值。

图1所示为反馈环路控制部分中的运放闭环增益模型，其传递函数为：图1 闭环增益模型模型分析1如果变换器中没有引入反馈控制环路（即图1中H(s)部分），此时输出随输入的变化而线性变化，没有稳压作用。

如果反馈环路设计的不好，环路就不能做出对负载的瞬态改变做出及时调整，那么输出电源瞬间的变化就可能会造成电源系统振荡，从而对下一级构成损坏。

模型分析2模型中放大器的开环增益G(s)会随着频率的增加而减小，同时也与放大器相位有关，因此可以通过分析G(s)H(s)的增益和相位来判断系统的稳定性。

比如：当G(s)H(s)=-1，此时分母为0，即增益是无穷大的。

那么任意小的输入扰动都能引起输出的无穷大，这样势必会导致输出振荡。

因此，我们可以通过环增益GH的频率特性来判断系统的稳定性，伯德图就是表示回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的工具。

伯德图及相关参数如图2所示：图2 伯德图及相关参数伯德图有以下3个核心指标：●穿越频点：增益为0dB时对应的频率；●相位裕度：增益为0dB时对应的相位差；●增益裕度：相位为0°时对应的增益差。

由此可见，闭环系统的稳定性可以通过伯德图中的相位裕度，增益裕度，穿越频点来衡量。

开关电源环路增益相位裕量测量与稳定性分析摘要：本文从小信号的角度来看通过对反馈环路注入一扰动信号对整个产品造成的影响，来衡量产品的稳定性，再利用环路分析仪检测环路做定量的分析，其结果以便于日后工作的改进，从而提高产品的可靠性。

关键词：反馈环路、带宽、相位裕量、增益裕量、稳定性、PSM1700、过零点title: a mearurement of swtich power supply based on FRAABSTRACT:THIS article describes the affection to the whole product, which is because of injecting a perturbation signal into feedback loop,to evaluate the stability, then by the use the frequency response analyzer equepiment gets an accurate result ,and the result is used for improvement ,as well as improve the products' reliablity.keywords:feedback loop bandwidth phase margin gain margin stablity随着电子，自控，航天，通讯，医疗器械等技术不断向深度和广度的发展，势必要求为其供电的电源要有更高的稳定性，即不仅要有好的线性调节率、负载调节率还要有快速的动态负载响应。

而这些因素都和控制环路有关，控制环路一般工作在负反馈状态，称之为电压负反馈。

如果变换器中没有用到反馈控制环路（即下图1中H部分），其传递函数一般为其中G为输入滤波、功率变换、整流滤波部分等因数的乘积（因为其为级联的形式，所以本文中以总的乘积因子G来表示），可以看出输出随着输入的变化而成线性的变化，但是由于整流、滤波网络在整个时域的非线性，实际上这种变化应该是近似于线性，所以当输入电压改变的时候并不能很好的起到稳压的作用；如果反馈环路设计的不好，对于负载的瞬态改变，环路不能做出及时恰当的调整，那么输出电压瞬间会偏高或者偏低，甚至有可能造成电源系统的振荡，对下一级构成损坏。

电源环路测试目录1引言 (1)2电源环路测试介绍 (1)2.1波特图 (1)2.2环路增益 (2)2.3注入点 (2)2.4环路注入 (3)3电源环路分析仪测试 (4)3.1 PSM1700介绍 (4)3.2面板介绍 (5)4测试环境搭建 (8)5测试执行 (9)6注意事项 (11)1引言开关电源系统所有性能表现的中心是反馈控制系统。

反馈控制系统时刻调整着能量转换，保持电源系统的输出电压保持恒定，以满足负载所要求的功率变化。

电源环路分析仪可以很好的测出开路传递函数，测试结果以波特图形式呈现。

2电源环路测试介绍2.1波特图对于开关电源的反馈环路性能，要进行的测试项如下：1.幅频响应曲线，下图中黑线；2.相频响应曲线，下图中红线；3.穿越频率(Crossover frequency)：幅频曲线穿越0dB处的频率点，下图中为6.5kHz；4.相位裕量(Phase margin)：相频曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差，下图中为92°；(相位裕量表示电源系统保持稳定条件下所能承受的最大最大相位扰动，相位裕量越大，系统越稳定，但同时时间响应速度减慢，因此必须要有一个比较合适的相位裕量。

)5.增益裕量(Gain margin)：幅频曲线在相频曲线达到-180度的频率处对应的增益，下图中为67dB。

增益裕量表示控制系统保持稳定条件下所能承受的最大增益扰动。

波特图我们只需要把环路断开就可以得到环路增益。

下图展示了如何在反馈系统中断开环路，理论计算时你可以从任何地方断开环路，不过我们通常选择在输出和反馈之间把环路断开。

断开环路后，我们在断点处注入一个测试信号i，i经过环路一周后到达输出得到信号y，y 和i的数学关系式就是我们要求的环路增益。

断开环路示意图2.3注入点注入点如何选择？现实中反馈环路往往起到了稳定电路静态工作点的作用，所以我们不能简单的断开环路去测环路增益。

反馈环断开后，电路因为输入失调等原因，输出会直接饱和，这种情况下无法进行任何有意义的测量。