DC-DC转换器环路增益测量

1.背景和测量方法

    DC-DC转换器可以看作是一个简单的反馈控制系统。如图1所示。

图1DC-DC转换器可抽象为一个反馈系统

    对于一个负反馈回路，闭环增益：

    当GH=-1 的时候会产生自激(GH 称为开环增益)。可分解为：

                    幅度条件：|GH|=1

                    相位条件：GH 的相位Φ=-180º

    开环特性是一个很重要的参数，表征反馈系统的稳定性，通常用增益裕量和相位裕量来表示：

                   增益裕量：Φ=-180º时，0-Gain(dB)

                   相位裕量：Gain=0 时，Φ-（-180º）

    通常用波特图来表示如下：

图2负反馈系统的开环增益

    在测试开环特性时，开关电源应工作在闭环状态，以保证系统状态的稳定。

图3环路增益测试连接图

    开关电源的输出加电子负载；误差放大器的输入端通过示波器的高阻无源探头连接到网络分析仪E5061B 的R 端口上；开关电源输出通过示波器的高阻探头连接到E5061B 的T 端口；E5061B的低频LF输出端口通过变压器加到误差放大器的输入和开关电源输出端。

    R 端口用来测量注入到环路的信号，T 端口用来测量环路的输出信号。T/R 就是环路的开环特性。为保证测量的准确，在测试之前需要进行直通校准（用Mem数据归一化即可）。

    为了将射频能量有效注入到被测件，变压器的阻抗不能明显低于E5061B 低频LF输出端口阻抗（50欧姆）；变压器在测试频率范围内不能有谐振点，应该表现出感性，以有效注入信号。

    E5061B的低频LF输出信号不能太大也不能太小，信号太小测到都是噪声，太大则反馈回路饱和。信号的大小取决于变压器，饱和情况取决于每一个开关电源，以此没有一个固定值。

    可以在测量的时候改变激励功率，看T/R、T、R 来确定一个合适的激励功率。

    测试结果读取：

    A、通常会在full load、half load、zero load 几种情况下测量；

    B、相位要在unwrap 下读取

    C、增益裕量：T/R 的相位为0 时的环路增益。

       相位裕量：环路增益为0dB 时相位值。

图31   环路增益的读取

    如上图：相位裕量是67.4º，在580Hz（线A）；增益裕量是38.1dB，在18.6KHz（线B）此时的增益裕量和相位裕量的读取方法和原理部分介绍时略有不同，原因在于：在测量时T/R 中包含误差放大器（不仅仅是GH），有180 度的反向变化。

2.测量仪器和附件

    测量DC-DC转换器环路增益用到的仪器是：E5061B。E5061B针对这个应用专门设计了1Mohm输入阻抗接口，使其可以直接连接示波器无源探头进行测试；DC-DC转换器环路增益的测试频率范围：5Hz到30MHz，满足各种测试要求；还支持阻抗测量，可进行PDN的毫欧级输出阻抗测量；30ohm半浮地的设计确保低频时的测量精度。

    测试时需要用到1：1的变压器，可使用：安捷伦提供的变压器（5188-4425）；或North Hills公司的0017CC变压器；或Picotest公司的J2100A 5MHz或更高频的变压器。

    测试DC-DC转换器环路增益的完整配置如下：

    1.E5061B

       选件：005，3L5

    2.N2873A（需要2个）

      5188-4425

      BNC电缆一根

    如果要测试输出阻抗，还需要增加：BNC电缆2根，11667L BNC功分器1个（用于低频输出口的测试，频率5Hz-30MHz）；N（m)-SMA(f)转换头2个，SMA-SMA同轴电缆2根，85033E校准件1套（用于高频输出口的测试，频率到3GHz）。