开关电源环路增益测试

用E5061B测试开关电源的环路增益
本文就开关电源的基本原理，环路增益（业界也叫波特图）测试对仪表的要求，以及具体的测试示例做了简要的介绍。

首先让我们来看看开关电源的简单的工作原理。

上图是一个开关电源工作的基本框图。

交流输入电压在经过噪声滤波器，整流器/平滑电路和一个低通滤波器后转变为直流输出。

如何让输出电压保持恒定？需要引入一个反馈环路。

其中的一个关键部件是误差放大器，输出电压经过反馈网络后输入到运算放大器的反相端，与正相端的参考电压相比较。

如果输出电压过高，这个运算放大器的反相输入端电压将高于同相输入端电压，从而使运算放大器的输出为负，降低电源输出电压。

如果输出电压过低则有相反情况发生。

运算放大器两个输入端之间的差值被误差放大器放大后，用来改变脉冲宽度调制器的脉冲宽度。

开关转换器根据脉冲宽度调制器产生的脉冲宽度来改变开关电源的输出电压。

上图图说明具体的开关行为。

脉冲宽度调制器产生脉冲，其占空比随误差放大器的输出改变。

图的右边表示脉冲宽度调制器的输出，左边表示通过低通滤波器后的输出电压。

我们可以看到输出电压的幅度随脉冲占空比大小而改变。

开关电源就是通过这样的一个反馈环路实现稳定的电压输出。

目前业界对开关电源的测试更多的是测试它的带载能力以及输出的纹波。

也就是说更多的倾向于开关电源外特性的测试。

但是我们从上面可以看出，开关电源的环路更需要准确的评估。

环路是否稳定需要有量化的指标，比如大家所熟知的增益裕量和相位裕量就是衡量开关电源环路稳定的指标。

环路增益测量对仪器的要求
环路增益的测试需要用到矢量网络分析仪，下表给出了其对仪表的要求：
对仪器的要求
a.频率范围从10Hz至50Hz或更多
b.窄带宽
c.小的频率增量
d.对数扫频
e.增益和相位格式
f.光标功能：至少4个光标(每个余量2个光标)
或具有光标差值显示功能
g.小功率电平
h.具有高阻抗测试能力 E5061B（网络分析仪）
a.频率范围：5Hz至3GHz
b.中频带宽：1Hz至300kHz
c.测试点数: 2到1601点数频率分辨率：1mHz
d.扫频类型：对数扫频
e. 格式：对数幅度和相位
f. 光标：9个光标具有光标差值功能
g. 输出功率电平：-45dBm至20dBm
h. 1MΩ/50Ω内部可以切换
过去大家一般会用到4395A （10Hz-500MHz）去测试开关电源，由于4395A内部没有50欧/1兆欧的转换，需要外置41802A才能实现测试。

DC-DC转换器环路增益
对DC-DC转换器/开关模式电源来说，反馈环路分析法是评估它们控制环路电路稳定性的一项必要的测试方法。

让我们来练习如何测试环路特性。

反馈函数转移函数的测量, T/R = -Aβ。

基本的测试原理是：扫频信号源输出的信号注入到环路，下图中蓝色箭头所示。

网络仪内部的接收机R监测环路输入信号的大小，经过环路输出的信号进入网络仪内部的T接收机。

二者之比T/R即环路的增益。

也就是信号沿下图红色虚线所走的路径。

信号注入装置可以采用变压器电阻或者运算放大器的加法电路。

具体的测试连接如下图：
E5061B的LF输出端的输出扫频信号经过一个隔离变压器注入到环路里面，隔离变压器主要有两个作用，第一个作用是保护仪表。

可以避免环路的直流信号串入E5061B。

另一个作用是阻抗变换，实现匹配。

E5061B的LF端口的特性阻抗是50欧，所以在隔离变压器的次级串了个50欧的电阻R5。

需要注意的是：隔离变压器需要足够的带宽，而且在所测试的带宽范围内阻抗尽量保持在50欧左右。

另外，在测试过程中，开关电源的负载通常建议在空载，半载和满载的情况下分别测试环路增益。

DC-DC转换器环路增益, 步骤 (1)
如下图所示，把DUT与直流电源和E5061B相连
DC-DC转换器环路增益, 步骤 (2)
为方便操作，[*]表示E5061B面板上的硬功能键
(*)表示E5061B的软功能键
按如下步骤设置E5061B:
1.[Preset] (OK) 将仪表设到预置状态,
2.[Meas], (Measurement Port -> Gain-Phase), 选择测试的模式为增益，相位。

也就是大家熟
悉的波特图模式。

3.[Start], 100 Hz, [Stop] 1 MHz, 根据自己的需要设置测试的频率范围
4.[Sweep Setup], (Power), -10 dBm, (Return), (Sweep Type -> Log Freq), 设置E5061B的输
出功率，要注意不能设太高，否则会造成环路饱和。

同时设置横轴的扫描为对数扫描5.[Avg], (IFBW Auto -> ON), (IFBW Auto Limit), 100 Hz, 设置E5061B的接收机的中频带
宽。

6.[Display], (Num of Traces), 2, (Allocate Traces), x 2, 将显示分为上下两个图。

7．按[Trace next],激活 trace-1 ，按[Format],选（LogMag）, 按[Trace next],激活trace-2，按[Format],选(Phase)。

设置直流电源的输出电压为+5V(具体电压大小根据自己的开关电源来设定), 打开DUT
(注意增加输出电压时不要损坏DUT。

)
现在你可以在屏幕上看到类似上图的环路增益和相位响应。

按[Trace next]激活trace-1, 按[Marker search] (target), (Search Target)将搜索的目标值设到0dB, 这时可以看到光标会跳到如上图所示的0dB点，
现在你可以在曲线2上看到相位裕量为90度左右，这要远远高于一般的稳定准则值(>60度)。

通过这样的测试，我们可以对开关电源的内部环路特性做很好的评估。

研发工程师可以因而
改善开关电源的性能。

品管工程师可以对开关电源的性能做全方位的跟踪。