2019年12月04日 | ZDS3024电源测试定制版示波器路测试结果分析

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。系统开发前期，工程师可以使用Saber等仿真软件进行环路设计模拟，在开发中后期则可以使用ZDS3024电源测试定制版示波器进行实际环路特性的验证和优化。

二、环路分析的伯德图结果解读

通过扫频曲线伯德图，可以直观地看到整个频率范围内的增益和相位变化趋势，从而非常方便地观察和分析。ZDS3024电源测试定制版示波器的环路分析功能实测电源的扫频曲线如下图3所示。增益裕度（GM）和相位裕度（PM）信息显示在扫频界面的右上角。

图3 实测扫频曲线

以图3的电源环路实际测试伯德图为例，可以看出增益和相位曲线比较平滑，穿越斜率（近似-1）也很好，穿越频点（621.4Hz）在该开关电源的合适范围内，同时相位裕度（45.43°）满足要求，增益裕度（9.655dB）也基本满足需求。

三、环路分析常见问题解析

问题1：如何通过伯德图来判断开关电源是否稳定？

开关电源稳定的判断依据大致如下：

穿越频点：建议为开关频率的5%到20%；

相位裕度：要求一定要大于45°，建议45°到80°；

穿越斜率（0dB附近）：要求为单极点穿越，一般是要求穿越斜率在-1左右，即-20db/每十倍频；

增益裕度： 建议大于10dB（注意，GM是正值，实际测量的增益值为负值，增益裕度 = 0db - 测量值）。

问题2：如何理解穿越频点、相位裕度、穿越斜率和增益裕度？

穿越频点

穿越频点的频带宽度的大小可以反映控制环路响应的快慢。一般认为带宽越宽，其对负载动态响应的抑制能力就越好，过冲、欠冲越小，恢复时间也就越快，系统从而可以更稳定。但是由于受到右半平面零点的影响，以及开关频率等其他因素的限制，电源的带宽也不能无限制提高，一般取开关频率的1/20到1/5。

相位裕度

相位裕度是确保在各种复杂条件下（包括元器件的误差、输入电压变化、负载变化、温升等）系统都能够稳定，使用在标称输入额定负载室温下，要有45°的裕度；如果输入电压、负载、温度变化范围非常大, 相位裕度也不应小于30°。相位裕度应保持在一定范围内，太小或太大都会影响系统对扰动的调节能力，因此建议是45°到80°为合适范围。如下图4所示。

图4 同一条件下，不同相位裕度的调节能力

穿越斜率

对于穿越斜率在-1左右的条件，应当注意，并不是绝对要求开环增益曲线在穿越频点附近的增益斜率为必须为-1，但是由于-1增益斜率对应的相位曲线相位延迟较小，且变化相对缓慢，因此它能够保证，当某些环节的相位变化被忽略时，相位曲线仍将具有足够的相位裕度，使系统保持稳定。

增益裕度

增益裕度为了不接近不稳定点，一般认为10dB以上是必要的。

问题3：扫频曲线的低频段增益和相位曲线抖动较大，是什么原因？

分析：这种情况很有可能是在对应频率下干扰较大，信噪比太低。可以尝试注入电压幅值提高。但是也要注意：过高的注入电压可能会造成信号失真或者0dB穿越时对应的相位裕度结果不对。

最理想的改进方法是使用环路分析的分段幅值输出功能，可以通过设置每10倍频范围的不同输出幅值，来实现不同频率范围的不同注入电压幅值。分段幅值的参数设置如下图5所示。

图5 分段幅值参数设置

四、环路分析的操作步骤

1、寻找干扰信号注入点 

在电压反馈型的开关电源电路中，测试信号注入点为反馈回路的取样点与输出电压点之间。要辨别采样点比较简单，只需观察反馈电压由输出电压的哪条支路分压得到即可。 

注入电阻可选择5到100欧的电阻，这种电阻在反馈电路中影响不大，推荐在系统设计时就提前预留此电阻。 

2、注入信号幅度调节 

注入信号的幅度经验值可设为输出电压的5%。如果幅度不能过小，示波器可能无法识别；过大则可能使系统出现非线性导致测量失真。另外环路分析功能还具备分段幅值的设置功能。 

3、扫描频率范围设定

由于系统的穿越频点大致为开关频率的1/20到1/5左右，因此扫频范围应设在穿越频点附近的范围，在这个范围内，一般可以找到环路的穿越频点点。此处留意环路系统穿越频点不能过低，否则环路无法响应高频的负载波动，从而引起输出电压的噪声。

4、测试探头的使用

由于注入信号幅度微弱，推荐选用1X衰减的探头测试。若使用10X，则信号衰减后很容易被噪声淹没。在接地时也尽量使用接地弹簧，而不是接地夹子。

5、PM/GM显示值

环路扫频结束后会计算PM和GM值，GM值是当相位曲线第一次穿越0°时的频率点，0db与该频率点的增益测量值的差值，即GM=0db - 增益测量值@相位第一次穿越0°的频点，因此正常情况下该频点的增益测量值为负值，GM值为正值。而PM值为增益曲线第一次穿越0db的频点对应的相位测量值与0°的差值，如果该频点之前相位曲线存在360°的翻转，则PM值会在0db频点的相位测量值的基础上加上翻转相位值。

总结：

ZDS3024电源测试定制版示波器标配的环路测试分析软件不仅有完善的环路测试方法和精准的测量精度，并且对测试操作和用户体验进行了创新性地设计，其专业程度媲美专业频率响应分析仪。欢迎各位电源工程师前往官网进行固件升级体验。