作者：Manjing Xie

环路增益是表示开关模式电源特性的一个重要参数。使用频率分析仪来测量环路增益使你能够稳定电源，并优化瞬态响应。

如图1所示，在测量波特图之前，你首先需要断开环路，并在断点处插入一个小型电阻器。频率分析仪有一个电源，这个电源通过这个小型电阻器插入一个AC干扰ṽ_ds。

图1：典型波特图测量设置

因此，AC波动出现在断开的两个节点上，即A和B上。频率分析仪具有两个接收器来测量节点A和B上的信号，ṽ_A和ṽ_B。你可以用方程式1来计算系统环路增益T_V：

方程式1

为了精确测量T_V，分析仪必须准确测量ṽ_A和ṽ_B。频率分析仪接收器已经限制了信号测量的分辨率。在这篇文章中，我将把AP Instruments公司生产的AP300器件用作一个设置示例，这是一款被广泛使用的频率响应分析仪。图2显示的是AP300的接收器技术规格，而图3显示的是电源技术规格。

图2：AP300频率响应分析仪接收器技术规格

图片来源：AP Instruments

 

图3：AP300频率响应分析仪电源技术规格

图片来源：AP Instruments

干扰插入信号幅度

根据接收器的技术规格，可测得的信号应该大于5µV。为了准确测量ṽ_A 和ṽ_B，两个信号的幅度应该大于频率响应分析仪能够测量的信号幅度。

电压ṽ_A 和ṽ_B与干扰插入信号和环路增益本身相关（方程式2）：

方程式2

 求解方程式1和2可以得出方程式3和4：

方程式3

方程式4

在频率低于交叉频率时，环路增益的量值，|T_V|会远远大于1。信号ṽ_B接近于ṽ_ds/|T_V|。 为了保证这个信号ṽ_B 大于5µV的可测量幅度，干扰信号ṽ_ds应该大于5µV × |T_V|。具有严格稳压的电源转换器的DC增益通常大于60dB。根据经验，ṽ_ds在100Hz时的起始值为50mV。

另外一个重要的技术规格为电源的输出阻抗。AP300的输出阻抗为50Ω。为了确保能够提供足够的电能，最好在断点处插入一个50Ω的匹配电阻。如果你调节插入信号幅度来补偿信号强度损耗的话，使用较小的电阻器也是可以接受的，不过不要选择太小的电阻器。我建议使用一个电阻值大于频率响应分析仪电源输出端口的输出阻抗1/5的电阻器。

如果你插入了一个较小的电阻器，就使用方程式5来调节干扰信号幅度。例如，对于一个20Ω的电阻器来说，ṽ_ds在100Hz时的起始值应该为88mV。

方程式5

不建议在整个频率范围内保持较大的恒定干扰信号幅度。随着频率的增加，|T_V|的量值会减少，而这会使ṽ_B增加。对于某些应用，交叉频率上的较大干扰会使误差放大器或占空比饱和。为了使信号尽可能保持在较低的水平上，干扰信号应该随着频率减少。

图4显示的是AP300接口，这个接口提供了一个可编程电源。图中绿色的迹线显示的是频率范围内的干扰信号幅度。

图4：AP300波特图图形用户接口，GUI

图5显示的是，用25mV的恒定干扰信号测得的波特图。测得的波特图显示出100Hz时的增益只有50dB，而我从高性能控制器，TPS53661上的估算出100Hz时的增益超过70dB。DC增益是稳压器输出DC调节的主要指标。

图5：具有TPS53661控制器的降压转换器的波特图，使用的是25mV的恒定干扰信号

我相应地调整了干扰信号，并再次测量了波特图。如图6所示，测得的波特图显示出100Hz时的增益要高很多。

图6：具有TPS53661控制器的降压转换器的波特图，使用可编程干扰信号

测量IF—带宽选择

减少IF接收器带宽的中间频率，IF—带宽，降低了测量时的随机噪声效应。它使得频率分析仪花费更长的时间来完成测量。

图6显示的是使用不同信号带宽时的测量值之间的差异。用10Hz带宽测得的波特图干净且平滑。而用100Hz带宽测得的波特图在频率低于1KHz时显示出大量的毛刺。对于交叉频率低于10KHz的应用，为了得到一个干净的波特图，我建议使用少于10Hz的IF带宽。

 

图7：使用不同测量带宽的波特图

对于准确的波特图测量，将干扰信号设定在正确的幅度至关重要。这篇文章中给出的方程式可以使工程师们估算出合适的干扰信号幅度。对于那些具有较低交叉频率的应用，IF带宽应该相应地减少，以提供一幅干净的波特图，以及精确的相位裕量。

其它资源

• 阅读操作说明书，“如何测量电源的环路传递函数”
• 阅读AP300频率响应分析仪手册
• 阅读其它电源小窍门博客

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/09/05/power-tips-setting-up-bode-plotter-properly

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