一、原理阐述
通过环路特性测量可以精确的得到电源的内在特性参数,是环路稳定性及电路设计的重要参考依据,测量原理及时域和频域特性如图1.1-3示意。
1、首先在环路的一端引入一个小幅度的激励信号(sine wave),然后在环路的另一端检测经环路流通之后的激励信号,两者比值就是环路的开环特性;
图1.1 环路特性测量示意
2、激励信号可由信号发生器产生,但是不能直接接入电源环路,所以需要一个信号耦合变压器把激励信号耦合到电源环路中去; 图1.2,激励信号及经回路之后的输出信号示意
3、因为变压器传递的是电流的变化,所以还需要一个小阻值的电阻将电流转化为电压信号,这个转换电阻是图中的Rsense;4、Rsense的阻值选择范围为20~50欧姆,一般选为50欧姆因为这样方便和仪器及同轴电缆的阻抗匹配。虽然Rsense的选值不要求太严格(因其不参与传递函数的计算),但是过大或过小会导致激励信号失真;
5、激励信号的流向如图中箭头所示,环路特性是输出与输入的比值(T/R);
图1.3 BUCK开关电源环路特性测量结果示意 二、仪器架设
图1.3 BUCK开关电源环路特性实测示意图
图1.3是使用安捷伦频谱仪E5061B进行环路特性实测的示意图。
T1为信号耦合变压器,需要自制;仪器端口LF OUT是激励信号的输出端口,端口R是对激励入口的监测,端口T是激励信号经环路之后的返回值,所以T/R是环路的传递函数;
图1.4 BUCK开关电源环路特性实测
1、仪器校正在每次仪器开机后、进行实测前,对仪器进行一次有效的校验是一种对测量结果负责的态度。连续测量时,一般只需在开机后进行一次校正即可因为仪器会对校正结果有记忆(关机后记忆消失)。
图1.5,测试之前的仪器校正
测试电源环路特性的校正方法是“直通(Through)校正“,首先在变压器的主端加激励(连接至仪器的LF OUT端口),副端短接。2、保存测试结果和数据
1)、测试结果图片保存技巧:把光标1和2分别放置于增益的0dB穿越点和相位的归零点,这样能从图片上读取最丰富的信息。
图1.6 BUCK的测试结果保存
2)、在正确保存图片的同时建议分别保存增益与相位的数据,仪器支持将数据保存为*.csv格式,方便对数据进行深度挖掘。建议分别测量轻载、半载及满载下的环路特性并按图1.7示意的文件结构进行结果保存。
图1.7 建议的实验数据文件结果
三、实验结果分析
当调试补偿参数时或者对比两种方案的差异时,我们往往需要对环路特性进行深入分析,但是实验中保存的图片只能做定性分析无法定量。
为了对环路特性进行定量分析,可将数据导入Excel,然后使用Excel丰富的图表工具复原波特图,如图1.8是两款芯片的对比分析,特性差异一目了然。
图1.8 使用Excel工具分析波特图
四、自制信号耦合变压器
信号耦合变压器的大致要求归纳如下:
1、在整个测试频率范围内传输响应特性须尽可能平坦,电源的环路特性测试范围一般100HZ~1MHZ;
2、变压器的阻抗须在50欧姆左右,与激励源的输出端口阻抗匹配;
3、变压器的自感须足够大推荐在mH(毫亨)这个数量级,否则隔离效果不佳从而干扰电路本身的特性参数;
变压器属于非标准件,所以一般需要定制或自制,亲手制作测试工具是工程师的情怀所在,简单记录一下变压器的自制过程。
1、变压器的自感需要在mH这个数量级,如此大的自感值意味着变压器的匝数需要很多,直接手工绕制的话难度会很大。
不过运气不错,我们找到一款大感值的Choke,它是用双股漆包线绕制的(天然的匝数比为1:1的信号隔离变压器)。
但是单个Choke的感值是200uH左右,所以可以多个串联增加感值(最终用了六颗Choke,再多的话盒子里塞不下了,实测自感值为1.3mH)。
3、迫不及待的使用实际的电源板进行实测,测试结果平滑,重复多次验证结果稳定有效。