开关电源控制环路响应分析

内容

► 电源发展趋势及其电源稳定性
   - 电源发展趋势
   - 何为电源稳定性?

► 环路控制原理
   - 什么是电源控制环路?
   - 控制环路是如何工作的?
   - 什么是 L-FRA & 波特图?
   - 控制系统传递函数及稳定性
   - 增益裕度和相位裕度 - 环路补偿
► R&S 控制环路响应分析方案
   - RTx-K36 选件如何工作?
   - 隔离注入变压器 & 探头的选择
► 测量设置
   - 测量系统搭建
   - 仪器设置
   - 解读测试结果
► RTx-K36 功能总结
► 其他电源测试热门
   - 电源完整性测试
   - EMI 诊断

电源发展趋势

► 当今电子产品内部集成电源数量越来越多,PDN 越发密集
► 高集成度意味着半导体元器件尺寸更小,功耗更低
► 随着开关速率的提升,SMPS 的开关时间变得更短
  • 高频元器件集成在电子系统内部
  • 信号完整性 (SI) 和电源完整性 (PI) 经常被评估

 

何为电源稳定性?


► 当电源输入出现干扰信号时会发生什么?
► 当负载在不同工作模式下高速切换时会发生什么?
► 电源是否还能稳定工作?
► 电源稳定性设计有多大余量? 或者说,多大的高频 能量可以耦合至电源系统而不会影响其正常工作
 

什么是控制环路?

► 开关电源需要有一个负反馈的控制环路来保证输出电压的 稳定性
► 控制目的
   - 干扰
   - 老化
   - 非线性 (L&C)
   - 温漂
   - 输入电压波动
   - 负载切换
   - 过载
   - Etc.
► 用于监控输出电压 Vout 的波动变化 - 如果 Vout 偏离设定值,误差值将被反馈至控制电路,进 而对输出电压进行调整

 

控制环路如何工作?

▶ 在开关电源、稳压器和 LDO 设计中,负反馈回路帮助实现稳定输出
▶ 特别是在负载快速切换工作模式时,如:CPU、马达、显示阵列等
▶ 以 DC-DC 开关电源为例
 

什么是低频响应分析 (L)FRA?

1. 信号发生器提供扫频激励
2. 在每个频点上测量 DUT 的输入 Vin 和输出 Vout 的幅度和相位信息
3. 计算并绘出增益 (对数坐标) 和相 位 (线性坐标) 图,一般称之为伯 德图 (Bode Plot)

频率响应分析是在频域表征电源 稳定性的一个重要手段!
 
 

何为波特图?

► 输出 VS 输入在单频点处有固定的增益和相位差
► 不同频点对应不同的增益和相位
 

控制系统传递函数及稳定性

▶ 为测试系统的稳定性,需要向系统内部注入一个误差干扰信号 并在闭环系统内测试循环传递函数
▶ 如果在某个频点同时存在 0dB 增益和 0° 相位, 将导致系统不稳定
▶ 负反馈回路中的 C1, C2, C3, R1, R2, R3, R4 用以调整控制环路的增益和相位
 

增益裕度 GM 和 相位裕度 PM

增益裕度 (Gain Margin) 和相位裕度 (Phase Margin) 用来表示幅频/相频曲线离不稳定点的距离
 

环路补偿时域上的影响




1. 内部信号发生器提供扫频激励(即使 用户未购买发生器选件也可使用)
2. 示波器在每个频点上测量 Vin 和 Vout 幅度和相位信息
3. 示波器通过计算并绘制出增益 (对数 坐标) 和相位 (线性坐标) 图
 

特点 & 功能

  • 幅度配置 在不同频段内可自定义配置发生器输出的幅度, 在进行 CLR 测试时抑制噪声,提升信噪比 开关电源控制环路响应分析
  • 增加分辨率 选择不同的“点/十倍频程” 可设置并调整伯德图 的分辨率 (最高达 500 点/十倍频程) ı 并行显示时域波形 (独特) 在进行波特图测量时同步显示时间相关联的输 入和输出通道波形
  • 支持 Marker 标记 & 结果表 使用标记可获取单个样点值 & 结果表可获得所有 测量样本值。所有数据均可方便存储。

R&S®RTX-K36 频率响应分析选件

支持的仪器型号




► 使用示波器内置的任意波形发生器 频率范围 10 Hz 至 25 MHz
► 无需额外购买单独的发生器选件 B6
 

所需设备 宽带注入变压器

如何选择合适的注入变压器:
► 隔离                        • 合适的电压范围,如:高达 400V 用于 PFC 电路
► 带宽                        •  与测量带宽相匹配, 起始频率 fstart 和终止频率 fstop 都很重要
► 增益平坦度             •  可能会与频率相关失配,导致不必要的反射
► 一次至二次电容     •  影响耦合(等效寄生电容)和系统响应
► 饱和                       •  影响损耗和测量系统响应

推荐注入变压器:
► Picotest J2100A 注入变压器 (1 Hz – 5 MHz)
► Picotest J2101A 注入变压器 (10 Hz – 45 MHz)
 

所需设备
CLR 测量所需最佳探头



10:1 probe RT-ZP05S/RT-ZP10
+ 示波器标配
+ 高达 500 MHz 带宽
+ DC offset 范围 10X
- 有限的垂直灵敏度- 10x
- 示波器底噪放大- 10x




1:1 probe RT-ZP1X
+ 最优化垂直灵敏度 + 最小化示波器底噪

- 有限带宽 38 MHz
- 有限 DC offset - 非标配,额外购买
 

测量设置
选择开关电源控制回路的注入点

► 测量电源稳定性需对控制环路增益和相位进行测试
► 在环路上找到合适的点并注入干扰信号
► 干扰信号经过隔离注入变压器作用于注入电阻两端,变压器可有效隔离发生器输出的DC 分量
► CH1 测量干扰信号输入,CH2 测量电源输出
► 示波器通过测量循环传递函数的增益(CH2/CH1) & 相位得到波特图
 

仪器设置-控制与设置

 
 
 
 

典型 CLR 测量
解读测试结果

► 更高的 0 dB 穿越频率 = 对负载变化的更快速响应
► 0 dB 穿越频点处更大相位裕度 (>45°) = 稳定性更好
► 高频率段更低的增益 = 更好的抗噪性 (输出纹波)
► 设计人员需优化响应速度和针对特定应用的电源稳定性
 
 

测量结果的影响因素

ı 低频段内的幅度抖动 < 1 kHz 频段内曲线有很大噪声,原因为注入干扰电压过低,且控制环路在低频段 内增益相对更大



► 注入电平 CLR 测量一般注入较低的电平信号 有些稳压器对注入电平十分敏感,如果注入信号过大,则会出现非线性或大信号 效应,使电源工作异常 开关电源在穿越频点处对注入信号幅度更敏感!



ı 供电电压 & 负载电流的影响 增大供电电压  增益变得更平坦,相位保持不变 负载电流变化  相移随载荷增加而增大 此外,使用电子负载时,电子负载的控制电路会影响电源的切换频率,进而影响测 试结果

 

R&S®RTX-K36 频率响应分析选件

主要指标

R&S®RTX-K36 频率响应分析选件

其他应用

 

R&S®RTX-K36 频率响应分析选件

其他应用

R&S®RTX-K36 分析功能总结


► 相对 VNA/FRA 更低的成本 & 更便捷的使用体验
► 可与专用测试方案的性能相匹敌
► 实时查看时间相关联的输入/输出信号波形
► 相比其他基于示波器的测试方案,R&S 具备更快 & 更大动态范围
► 多合一测试方案 – 示波器是工程师进行电源设计时最常用的测量工具
 

其他电源测试热门

POWER RAIL 测试

 

R&S®RT-ZPR20/40电源完整性专用探头

▶ 2/4GHz模拟带宽 满足用户对高频纹波噪声和频谱测试需求 一次连接,完成时域和频域测试
▶ 1:1衰减比 最小化系统底噪对测试的影响
▶ 业内最高±60V偏置补偿范围 覆盖所有板上和通信电源测试需求
▶ ±850mV测试动态范围 满足不同电源PARD测试需要
▶ 内置独立16bit电压计 一次连接,同时实现高精度DC分量测试
 

R&S®RT-ZPR20/40电源完整性专用探头

R&S®RT-ZPR20/40电源完整性专用探头

 

标配 10:1 无源探头 VS 专用 ZPR20/40 POWER RAIL 探头

R&S®RTO/RTE + RT-ZPR20/40 POWER RAIL 探头

一次探接完成时频域测试分析

 

EMI 电磁干扰分类

如何测量传导发射?

 

输入端传导干扰

如何测试辐射发射?

2015 DESIGNCON最佳EMI诊断工具奖

 

相关产品

寻找更多销售、技术和解决方案的信息?

关于绿测
绿测科技是一家专注于耕耘测试与测量行业的技术开发公司,以专注成就专业的服务理念给客户提供专业的服务。总部设立于广州羊城。随着业务的发展,先后在广西、深圳等地设立了分公司。绿测科技主要业务范围由以下方向组成:核心采集部件、高端应用测试方案、自动化测试方案、实验室建设。绿测科技经过深耕测试与测量领域多年,组建了一支经验丰富的技术团队,可为广大客户提供品质过硬的产品及技术支持。
绿测公众号
绿测微信公众号
020-22042442
Copyright @ 2021 广州绿测电子科技有限公司 版权所有 E-mail:Sales@greentest.com.cn 粤ICP备18033302号