电源测试：稳定性测量

作者：Bob Hanrahan 德州仪器

此前，我已经发表了有关如何测试电源设计的三篇文章中的前两篇，即效率测量（第 1 篇）和噪声测量（第 2 篇）。文章主要涵盖各种噪声源以及如何使用示波器正确测量噪声。此外，我还讨论了由线路及负载瞬态产生的输出错误问题。

今天，我要谈谈电源测试的第三个也是最后一个指标：稳定性测量。

电源属于闭环放大器，负责吸收电能并将其转换成具有特定稳压和／或电流的另一种电能形式。电源的稳压原理是传感输出并将输出的一部分与参考电压相比较。将传感信号与参考信号的差值进行放大，然后用于控制稳压器的功率级，以保持电压（或电流）恒定。（图 1）。

电源采用从输出回到误差放大器的负反馈确保其在各种工作条件下（负载变化、温度变化以及输入电压变化等）的正确稳压。与任何稳定闭环系统一样，电源也必须确保在工作频率或风险振荡和／或其它不适应特性下闭环增益小于 1。电源负反馈条件必须与输入完全呈异相性或者构建小于 1 的增益，才能确保正确的工作。

典型的稳压器 IC 可在设备内提供必要的相位裕度，以确保稳定的工作。与所有工程师一样，IC 设计人员也需要进行工作极限假设，并经常提供用于调整内部相位延迟的控制机制，才能适应各种负载极限。可设计一款稳压器来提供具有额定输出阻抗的 90 度相位裕度。但如果该阻抗电容性比预期的要强，相位延迟就可能增加到与内部反馈点相同的相位点（也是从电源输出返回的相位点）。这种相位反转会产生增益大于 1 的正反馈（振荡器公式）。我们都很清楚这在稳压器电路中是不合适的。

许多稳压器都提供用于调整内部相位延迟的机制，通常通过具有几个无源组件的外部补偿网络来实现。但在某些情况下，稳压器并不提供这种机制，必须在特定工作极限内使用（各种负载极限下的最小／最大输出阻抗）。无论哪种情况，都必须对电路进行正确分析，才能确定是否有必要进行设计调整。虽然可对环路特性进行仿真，但却很难实现对 PCB 与连接器阻抗等实际系统级特性进行精确建模，尤其是使用较低成本的仿真工具。因此必须进行实际稳定性测量，才能了解环路的实际稳定性。

诚然，我已经了解了系统投入生产的许多情况，其在生产后期因环境变化和／或工作极限条件而变得不稳定。在这些情况下，原型设计可能运行良好，但电源内的相位和增益裕度却没在原型测试中得到测试。如果设计人员能够对电源的稳定性进行测试，就可在其造成更大生产成本问题之前找到并纠正该问题。

附录：

经常有人给我打电话问起测量升降压反相设计稳定性的问题（针对负输出电压配置的降压稳压器）。这个问题通常与设备至目标系统之间的连接有关。为了更好地理解差动注入点以及单端接收器输入的正确连接，我经常需要绘制控制环路电路图，这可使连接的最佳位置显而易见。隔离注入点几乎可以放在环路的任意位置，但是对于单端接收器探针而言却不是这样。探针参考接地的电势必须低于探针本身，这样二者才能更好的连接到负输出电压。为实现该目标，我们必须确保在测试过程中仪器接地与该电路的隔离。如果分析仪接地连接至底座接地，探针连接可能会使连接至接地的负输出电压电路短路。查看下图中的探针连接。参考针对特定工作及校准流程的分析仪手册。

下载图片的 pdf 文件：7725.Buck_Boost_Invert_Stability.pdf。

我偶尔会发现有人因没有准确校准频率响应分析仪，而导致波特图错误。最常见的错误之一就是在校准时使用隔离变压器却忽略了控制环路。为此，我绘制了以下电路图供大家参考。查看特定设备的校准程序。

您可在这里下载该图片的 pdf 文件：4073.Calibrating_FRA.pdf.pdf。