如何為波特圖設(shè)置頻率響應(yīng)分析儀

環(huán)路增益是描述開關(guān)模式電源特性的一個(gè)重要參數(shù)。使用頻率分析儀來測(cè)定環(huán)路增益能讓您穩(wěn)定電源并優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

在測(cè)定波特圖之前，您需先斷開環(huán)路并在斷點(diǎn)處插入一個(gè)小型電阻器，如圖1所示。該頻率分析儀有一個(gè)信號(hào)源，可跨該小型電阻器注入交流（AC）干擾信號(hào)?ds。

圖1：典型的波特圖測(cè)定設(shè)置

其結(jié)果是，AC波動(dòng)出現(xiàn)在跨該斷點(diǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（A和B）處。該頻率分析儀具有兩個(gè)接收器，能測(cè)量節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B處的信號(hào)?A和?B。您可用方程式1計(jì)算出該系統(tǒng)環(huán)路增益TV：

方程式1

為了準(zhǔn)確測(cè)量TV，該分析儀必須準(zhǔn)確測(cè)量?A和?B。頻率分析儀接收器已限制了信號(hào)測(cè)量分辨率。在本文中，筆者將用來自AP Instruments公司的AP300（一款被廣泛使用的頻率響應(yīng)分析儀）作為一個(gè)設(shè)置示例。圖2展示了AP300的接收器技術(shù)規(guī)格，圖3則展示了信號(hào)源技術(shù)規(guī)格。

圖2：AP300頻率響應(yīng)分析儀的接收器技術(shù)規(guī)格

圖片來源：AP Instruments公司

圖3 AP300頻率響應(yīng)分析儀的信號(hào)源技術(shù)規(guī)格

圖片來源：AP Instruments公司

干擾注入信號(hào)幅度

根據(jù)接收器技術(shù)規(guī)格，可測(cè)量的信號(hào)應(yīng)大于5μV。為準(zhǔn)確測(cè)量?A和?B的電壓，這兩種信號(hào)的幅度均應(yīng)大于該頻率響應(yīng)分析儀可測(cè)量的信號(hào)振幅。

?A和?B的電壓與干擾注入信號(hào)及環(huán)路增益本身都有關(guān)聯(lián)（方程式2）：

方程式2

求解方程式1和方程式2可得出方程式3和方程式4：

方程式3

方程式4

當(dāng)頻率比交叉頻率低時(shí)，環(huán)路增益的量值|TV|會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。信號(hào)?B接近于?ds/|TV|。為確保信號(hào)?B大于5μV的可測(cè)量幅度，干擾信號(hào)?ds應(yīng)大于5μV × |TV|。具備嚴(yán)格調(diào)節(jié)功能的電源轉(zhuǎn)換器通常擁有大于60dB的直流（DC）增益。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，?ds在100Hz的頻率下起始值應(yīng)為50mV。

另一項(xiàng)重要技術(shù)規(guī)格是信號(hào)源的輸出阻抗。AP300具有50Ω的輸出阻抗。為確保提供足夠的電能，最好在斷點(diǎn)處插入一個(gè)50Ω的匹配電阻器。如果您是為補(bǔ)償信號(hào)強(qiáng)度的損耗而調(diào)整注入信號(hào)幅度，那么使用較小的電阻器是可以接受的，但不要選擇太小的電阻器。筆者建議使用這樣的電阻器 —— 其電阻值大于該頻率響應(yīng)分析儀信號(hào)源輸出端口輸出阻抗的五分之一。

如果您插入了一個(gè)小型電阻器，那么請(qǐng)用方程式5來調(diào)整干擾信號(hào)幅度。例如，對(duì)一個(gè)20Ω的電阻器而言，頻率為100Hz時(shí)?ds的起始值應(yīng)為88mV。

方程式5

在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都保持較大的恒定干擾信號(hào)幅度并非上策。隨著頻率的增加，|TV|的量值應(yīng)減小，而這會(huì)使信號(hào)?B增大。對(duì)有些應(yīng)用來說，在交叉頻率下的較大干擾可能導(dǎo)致誤差放大器或占空比飽和。為使信號(hào)盡可能小，干擾信號(hào)也應(yīng)隨頻率減少。

圖4展示了AP300接口，該接口提供了一個(gè)可編程信號(hào)源。該圖中的綠色跡線顯示了在頻率范圍內(nèi)的干擾信號(hào)幅度。

圖4：AP300波特圖的圖形用戶界面（GUI）

圖5展示了采用25mV的恒定干擾信號(hào)測(cè)定的波特圖。這幅測(cè)定的波特圖顯示，在100Hz的頻率下增益僅為50dB；而筆者從高性能控制器TPS53661處估算，在100Hz的頻率下增益超過70dB。對(duì)穩(wěn)壓器輸出DC調(diào)節(jié)功能而言，DC增益是一項(xiàng)重要指標(biāo)。

圖5：具有TPS53661控制器的步降型轉(zhuǎn)換器的波特圖（采用了25mV的恒定干擾信號(hào)）

筆者對(duì)干擾信號(hào)作了相應(yīng)的調(diào)整，并再次測(cè)定了波特圖。測(cè)得的波特圖顯示，頻率為100Hz時(shí)增益要高得多，如圖6所示。

圖6：具有TPS53661控制器的步降型轉(zhuǎn)換器的波特圖（采用了可編程干擾信號(hào)）

測(cè)量用中頻（IF）帶寬的選擇

中頻（IF）帶寬（可減小IF接收器帶寬）能減少隨機(jī)噪聲對(duì)測(cè)量的影響。這使該頻率分析器需要更長(zhǎng)的時(shí)間來完成測(cè)定任務(wù)。

圖6展示了采用不同信號(hào)帶寬時(shí)測(cè)量結(jié)果之間的差異。用10Hz的帶寬測(cè)定的波特圖非常干凈平滑。用100Hz的帶寬測(cè)定的波特圖在頻率低于1kHz時(shí)則顯示出很多毛刺。對(duì)于交叉頻率低于10Hz的應(yīng)用，筆者建議采用低于10Hz的IF帶寬，以獲得干凈的波特圖。

圖7：采用不同測(cè)量帶寬的波特圖

設(shè)置幅度恰當(dāng)?shù)母蓴_信號(hào)對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定波特圖至關(guān)重要。本文為工程師提供了可估算適當(dāng)干擾信號(hào)幅度的方程式。對(duì)于具有低交叉頻率的應(yīng)用，IF帶寬應(yīng)該相應(yīng)地減小，以提供干凈的波德圖和精確的相位裕度。

審核編輯：郭婷