對開關(guān)電源電路的測試，經(jīng)常會使用環(huán)路分析方法。環(huán)路分析測試方法是指給開關(guān)電源電路注入一個頻率不斷變化的正弦波信號作為干擾信號，然后根據(jù)其輸出情況來判斷該電路系統(tǒng)對各個頻率干擾信號的調(diào)整能力。

怎樣對開關(guān)電源進行環(huán)路分析呢？就是將輸出電壓的增益和相位隨注入信號的頻率變化而產(chǎn)生變化的測量結(jié)果繪制成曲線，即伯德圖，然后運用伯德圖來分析開關(guān)電源電路的增益裕度和相位裕度，以判定其穩(wěn)定性。

1-什么是伯德圖？

伯德圖是系統(tǒng)頻率響應(yīng)的一種圖示方法，由荷蘭裔科學(xué)家亨Bode，H.W. 在1940年提出。伯德圖由幅頻特性圖和相頻特性圖兩部分組成，兩者的橫軸都是頻率的對數(shù)lgω，采用對數(shù)分度。通常幅頻特性圖和相頻特性圖上下放置，幅頻特性圖在上，相頻特性圖在下，且將縱軸對齊，可以方便的觀察同一頻率的幅值和相位的大小。坐標圖如下：

2原理講解

開關(guān)電源是一個典型的反饋回路控制系統(tǒng)，其反饋增益模型如下：

在反饋電路系統(tǒng)中，輸出電壓和參考電壓之間的關(guān)系如下

由此可以看出這個閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定的條件：當 1+T(s)=0時，系統(tǒng)的干擾波動無限大。這個不穩(wěn)定條件包含兩個方面：

?開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值為  |T(s)|=1=0dB

?開環(huán)傳遞函數(shù)的相位為  ∠T(s)=-180°

如上為理論值，在工程實現(xiàn)上如果要保持電路系統(tǒng)的穩(wěn)定還要留出一定的裕量，就涉及到下面兩個重要指標：

●相位裕度 (Phase Margin，PM )

當增益|T(s)|為1時，相位∠T(s) 不能為-180°，此時相位∠T(s) 和 -180°之間的距離就是相位裕度。相位裕度可以看作是系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)之前可以增加的相位變化，相位裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但系統(tǒng)響應(yīng)速度會減慢。

●增益裕度 (Gain Margin，GM)

當相位∠T(s) 為-180°時，增益|T(s)|不能為1，此時增益|T(s)|和1之間的距離就是增益裕度。增益裕度采用分貝(dB)表示，如果|T(s)|>1，則增益裕度為正值；如果|T(s)|<1，則增益裕度為負值。正增益裕度表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，負增益裕度表明系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

如下為伯德圖，其中紫色為環(huán)路系統(tǒng)增益隨頻率變化的曲線，綠色為環(huán)路系統(tǒng)相位隨頻率變化的曲線。圖中，當增益為0dB時對應(yīng)的頻率為“穿越頻率”

伯德圖原理簡單，展示直觀

運用系統(tǒng)的開環(huán)增益

來評價閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

3-測試環(huán)境搭建

下圖為使用RIGOL的MSO5000系列數(shù)字示波器對開關(guān)電源進行環(huán)路分析測試的電路拓撲圖。包括如下幾個部分：

?將一個5Ω的注入電阻Rinj插到反饋電路中，如圖中紅圈位置所示

?將MSO5000系列數(shù)字示波器的GI接口連接到一個隔離變壓器。將示波器內(nèi)置波形發(fā)生器輸出的掃頻正弦波信號通過隔離變壓器并聯(lián)到注入電阻Rinj兩端

?使用連接MSO5000系列數(shù)字示波器兩個模擬通道的探頭（例如RIGOL的PVP2350探頭），對掃頻信號的注入端和輸出端進行測量

戳視頻，3分鐘玩轉(zhuǎn)示波器的伯德圖功能

https://www.bilibili.com/video/BV1be411s724

4-操作步驟

小編以RIGOL的MSO5000系列數(shù)字示波器為例，為您介紹如何進行環(huán)路分析操作—

RIGOL MSO5000系列數(shù)字示波器

Step1 啟用伯德圖功能

使用觸摸屏功能，按屏幕左下角的功能導(dǎo)航圖標 ，打開功能導(dǎo)航菜單，然后點擊“伯德圖”圖標，進入“伯德圖”功能設(shè)置菜單。伯德圖=Bode，后面不做區(qū)分。

Step2 設(shè)置掃頻信號

按 幅/頻設(shè)置 鍵，進入“幅/頻設(shè)置”子菜單，彈出 Bode Set 窗口。您可以用觸摸屏功能觸摸窗口中各項參數(shù)輸入框，通過觸摸彈出的數(shù)字鍵盤，對參數(shù)進行設(shè)置。連續(xù)按 幅值可變  鍵，可以打開或關(guān)閉設(shè)置掃頻信號在不同頻率范圍的電壓幅值。

可變幅值

屏幕中各個參數(shù)的含義如下表：

注意：

設(shè)置的“終止頻率”值應(yīng)大于“起始頻率”值。

按 掃頻類型  鍵，進入“掃頻類型”子菜單，旋轉(zhuǎn)多功能旋鈕 選擇所需掃頻類型并按下該旋鈕選中。您也可以使用觸摸屏功能，按 掃頻類型  鍵，進入“掃頻類型”子菜單進行

選擇。

?線性：掃頻正弦波的頻率隨時間線性變化。

?對數(shù)：掃頻正弦波的頻率按對數(shù)規(guī)律變化。

Step3 設(shè)置輸入輸出源

如環(huán)路測試環(huán)境搭建章節(jié)中的電路拓撲圖所示，輸入源通過示波器的模擬通道采集注入信號，輸出源通過示波器模擬通道采集被測設(shè)備的輸出信號?？梢酝ㄟ^以下方法為輸入源和輸出源設(shè)置對應(yīng)的通道號。

按 輸入源  鍵，旋轉(zhuǎn)多功能旋鈕 選擇所需通道號并按下該旋鈕選中。您也可以使用觸摸屏功能，按 輸入源  鍵，進入“輸入源”子菜單進行選擇。

按 輸出源 鍵，旋轉(zhuǎn)多功能旋鈕 選擇所需通道號并按下該旋鈕選中。您也可以使用觸摸屏功能，按 輸出源  鍵，進入“輸出源”子菜單進行選擇。

Step4 啟動環(huán)路分析測試

在伯德圖功能設(shè)置菜單中 運行狀態(tài)  鍵初始顯示其功能為“啟動”，按 運行狀態(tài)  鍵，彈出

Bode Wave 窗口。Bode Wave 窗口開始繪制伯德圖，此時 運行狀態(tài) 鍵顯示其功能為“停止”。

Step5 查看伯德圖測量結(jié)果

伯德圖繪制完成后，運行狀態(tài) 鍵恢復(fù)顯示其功能為“啟動”?？稍?Bode Wave 窗口中查看，伯德圖，如下。

屏幕中各個標號的含義如下表：

也可以按 顯示類型  鍵，進入“顯示類型”子菜單，旋轉(zhuǎn)多功能旋鈕 選擇伯德圖顯示的方式為如下的表格形式，查看環(huán)路分析測試結(jié)果的各項參考。

Step6 保存伯德圖文件

完成測試后，可以將環(huán)路分析的測試結(jié)果按照指定的文件名和文件類型進行保存。

按 文件類型  鍵，進入“文件類型”子菜單，選擇保存的伯德圖的文件類型。其中可選的文件類型包括*.png、*.bmp、*.csv 和*.html。其中選擇文件類型為*.png 和*.bmp 時保存的伯德圖文件為波形圖，選擇文件類型為*.csv 和*.html 時保存的伯德圖文件為表格形式。

按 文件名  鍵，在彈出的字母鍵盤輸入存儲伯德圖文件的文件名稱。

操作要點

在進行開關(guān)電源的環(huán)路分析測試時，可以參考以下幾點進行測試激勵信號的注入。

干擾信號注入位置的選擇

我們利用反饋來注入干擾信號。一般情況下，在電壓反饋型的開關(guān)電源電路中，選擇將注入電阻放在輸出電壓點和反饋回路的分壓電阻之間。在電流反饋型的開關(guān)電源電路中，將注入電阻放在反饋電路之后即可。

注入電阻的選擇

注入電阻不應(yīng)該影響系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，由于分壓電路的電阻一般在 kΩ 級別以上，所以選擇一個在 5Ω 至 10Ω 之間的注入電阻是較為合適的。

注入干擾信號電壓幅值的選擇

一般情況下注入信號的幅度可以從輸出電壓的 1/20 至 1/5 開始，進行試探。

如果注入信號電壓過大會使開關(guān)電源成為非線性電路，導(dǎo)致測量失真。如果在低頻段注入信號電壓過小，會造成低信噪比，干擾較大。

通常我們設(shè)置在注入信號頻率較低時采用較高的電壓幅值，在注入信號頻率較高時采用較低的電壓幅值，通過在注入信號的不同頻段選擇不同的電壓幅值獲得較為準確的測量結(jié)果。

MSO5000 系列數(shù)字示波器支持輸出頻率可變的掃頻信號，請參考 Step2 設(shè)置掃頻信號中的幅值可變功能鍵。

注入干擾信號頻率段的選擇

注入信號的掃頻范圍應(yīng)在穿越頻率附近，這樣便于在生成的伯德圖中觀察相位裕度和增益裕度。一般情況下，系統(tǒng)的穿越頻率在開關(guān)頻率的 1/20 至 1/5 之間，可以在這個頻率范圍內(nèi)選擇注入信號的頻率段。

經(jīng)驗值

開關(guān)電源是一種典型的反饋控制系統(tǒng)，其有響應(yīng)速度和穩(wěn)定性兩個重要的指標。響應(yīng)速度就是當負載變化或者輸入電壓變化時，電源能迅速做出調(diào)整的速度。穩(wěn)定性就是對輸入的不同頻率的干擾信號的抑制能力。

當系統(tǒng)的相位裕度越大時，系統(tǒng)的反映速度越慢；相位裕度越小時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。同樣穿越頻率過高則影響穩(wěn)定性，過低則響應(yīng)速度慢。為了在響應(yīng)速度和穩(wěn)定性做平衡，一般有如下經(jīng)驗值要求：

●穿越頻率建議為開關(guān)頻率的 1/20 至 1/5。

●相位裕度應(yīng)大于 45° ，建議在 45°至 80°之間。

●增益裕度建議大于 10dB。

總結(jié)

由 RIGOL 生產(chǎn)的 MSO5000 系列數(shù)字示波器通過控制內(nèi)置的信號發(fā)生模塊，產(chǎn)生指定頻率范圍內(nèi)的掃頻信號，注入到開關(guān)電源電路進行環(huán)路分析測試。通過測試生成的伯德圖可以直觀展現(xiàn)在不同頻率下系統(tǒng)的增益大小和相位變化，并標識出相位裕度、增益裕度和穿越頻率等重要參數(shù)。伯德圖功能操作簡單，為工程師分析電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供便利手段。