電源測試：穩定性測量

作者：Bob Hanrahan德州儀器

此前，我已經發表了有關如何測試電源設計的三篇文章中的前兩篇，即效率測量（第 1 篇）和噪聲測量（第 2 篇）。文章主要涵蓋各種噪聲源以及如何使用示波器正確測量噪聲。此外，我還討論了由線路及負載瞬態產生的輸出錯誤問題。

今天，我要談談電源測試的第三個也是最后一個指標：穩定性測量。

電源屬于閉環放大器，負責吸收電能并將其轉換成具有特定穩壓和／或電流的另一種電能形式。電源的穩壓原理是傳感輸出并將輸出的一部分與參考電壓相比較。將傳感信號與參考信號的差值進行放大，然后用于控制穩壓器的功率級，以保持電壓（或電流）恒定。（圖1）。

電源采用從輸出回到誤差放大器的負反饋確保其在各種工作條件下（負載變化、溫度變化以及輸入電壓變化等）的正確穩壓。與任何穩定閉環系統一樣，電源也必須確保在工作頻率或風險振蕩和／或其它不適應特性下閉環增益小于 1。電源負反饋條件必須與輸入完全呈異相性或者構建小于 1 的增益，才能確保正確的工作。

典型的穩壓器 IC 可在設備內提供必要的相位裕度，以確保穩定的工作。與所有工程師一樣，IC 設計人員也需要進行工作極限假設，并經常提供用于調整內部相位延遲的控制機制，才能適應各種負載極限。可設計一款穩壓器來提供具有額定輸出阻抗的 90 度相位裕度。但如果該阻抗電容性比預期的要強，相位延遲就可能增加到與內部反饋點相同的相位點（也是從電源輸出返回的相位點）。這種相位反轉會產生增益大于 1 的正反饋（振蕩器公式）。我們都很清楚這在穩壓器電路中是不合適的。

許多穩壓器都提供用于調整內部相位延遲的機制，通常通過具有幾個無源組件的外部補償網絡來實現。但在某些情況下，穩壓器并不提供這種機制，必須在特定工作極限內使用（各種負載極限下的最小／最大輸出阻抗）。無論哪種情況，都必須對電路進行正確分析，才能確定是否有必要進行設計調整。雖然可對環路特性進行仿真，但卻很難實現對 PCB 與連接器阻抗等實際系統級特性進行精確建模，尤其是使用較低成本的仿真工具。因此必須進行實際穩定性測量，才能了解環路的實際穩定性。

誠然，我已經了解了系統投入生產的許多情況，其在生產后期因環境變化和／或工作極限條件而變得不穩定。在這些情況下，原型設計可能運行良好，但電源內的相位和增益裕度卻沒在原型測試中得到測試。如果設計人員能夠對電源的穩定性進行測試，就可在其造成更大生產成本問題之前找到并糾正該問題。

附錄：

經常有人給我打電話問起測量升降壓反相設計穩定性的問題（針對負輸出電壓配置的降壓穩壓器）。這個問題通常與設備至目標系統之間的連接有關。為了更好地理解差動注入點以及單端接收器輸入的正確連接，我經常需要繪制控制環路電路圖，這可使連接的最佳位置顯而易見。隔離注入點幾乎可以放在環路的任意位置，但是對于單端接收器探針而言卻不是這樣。探針參考接地的電勢必須低于探針本身，這樣二者才能更好的連接到負輸出電壓。為實現該目標，我們必須確保在測試過程中儀器接地與該電路的隔離。如果分析儀接地連接至底座接地，探針連接可能會使連接至接地的負輸出電壓電路短路。查看下圖中的探針連接。參考針對特定工作及校準流程的分析儀手冊。

下載圖片的 pdf 文件：7725.Buck_Boost_Invert_Stability.pdf。

我偶爾會發現有人因沒有準確校準頻率響應分析儀，而導致波特圖錯誤。最常見的錯誤之一就是在校準時使用隔離變壓器卻忽略了控制環路。為此，我繪制了以下電路圖供大家參考。查看特定設備的校準程序。

您可在這里下載該圖片的 pdf 文件：4073.Calibrating_FRA.pdf.pdf。