6.5 关于测量电源环路增益的注意事项5 - 测试连接方式

前面我们已经讲到了

整个做环路测试当中

包括我们的受测设备选择点

包括我们环路分析仪要怎么设置都已经提到了

我们这一节主要是讲

怎么样把我们的测试线接到我们实际电路当中

我们不同的接法

对于我们整个环路测试的结果会有什么影响

这里我们先看测试的例子

我们用一颗 TPS53355

然后做一个测试

它是 12V 输入 1.2V 输出

400kHz 的测试条件下

然后我们测试它的环路增益

我们是用六英寸的很长一根线

那我们中间这个图里面

棕色的线就是用这种连接方式

然后测出来的测试结果

这有个问题

为什么在高频段这个增益会逐渐增加

然而这个相位却发生急剧的下降

这个时候我们依然用同样一块板

但是我们用一根更短的线

就说我们是用 0.5 英寸的线

然后重新对这个电源做测试

测试的结果就是在我们这个图中

以绿色的线表示

很显然我们这条绿色的线

在高频段它的增益

并没有发生逐渐往上翘的现象

它的相位也没有说发生急剧往下滑的现象

对于同一块板两种不同的连接方式

它们是如何影响到我们整个环路的测试结果

左边这个图实际上是列出了

我们在做环路分析的时候真正的连接方式

我们把连接线上的一些寄生的一些参数

包括电阻包括一些电感

它们的参数也画到我们这个图里面

连接线上的等效阻抗

我们可以认为是 ZL

假如说我们这个时候

我们 A B 两点的测试点

跟我们那个隔离器的输出点

是直接连在一起的

也就是我们图上的 VA' 跟 VB' 这两个点

是完全连接在一起的

所以我们这个时候环路分析仪上

测试到的电压

VA 跟 VB 它实际上是包含了

由于我们线路阻抗所产生的额外的压降 Vdrop

考虑到这个寄生参数的影响之后

我们测量出的环路增益就会变成

我们左下角这个公式

对我们整个系统来讲

它的开环增益在高频段

实际上是会远远小于一的

所以说我们这个测出来的环路增益

在频段很高的场合的话

TS 会逐渐趋近于零

我们可以把上面这个

测出来的环路增益进行简化

就会发现它会变成由一个线路寄生阻抗 ZL

跟我们注入点的注入阻抗的分压比

在高频段我们线路的寄生阻抗 ZL

实际上会逐渐呈一个感性

也就是它的阻抗会越来越大

当然我们注入点阻抗就会逐渐呈现容性

也就是电阻会越来越小

所以说我们在随着频率的升高的话

我们会看到整个的测试环路增益

会逐渐的上升

为了避免出现这种情况

我们能做的话

就是尽量要让我们的 ZL 要做到越小越好

ZL 越小也就意味着线要越短越好

但是在有的场合

我们的线有时候是不能再减小了

这个时候我们可以考虑

用两根独立的线

分别从 A B 两点直接到我们板上

注入点之间来测量它们之间的电压值

我们根据前面的分析就来做了验证

首先我们看右上角这个连接图

右上角的连接图

我们采用了我们第一种连接方式

也就是说它是我们的接收端

A B 两点它都是跟我们注入电压源

两点是直接连在一起的

在这个测试里面

我们尽量的使从我们源到我们板子上

注入电阻之间的线做到尽量短

绿色这条线是它的测试结果

第二种测试方法也就是下面这个图

我们这里我们就把接收点

跟我们的源的注入点这两条线是分开来

在这个测试里面

我们可以用一根比较长的线

然后连接到我们的两个接收点

A B 之间这样的都没有问题

然后这样子做出来测试结果

是我们这个图里面的黄色这个线

我们从结果来看

这两种测试结果区别不是太大

有的环路分析仪的厂家

它实际上还提供一些产品

比如说叫 BODE BOX 的工具

用 BODE　BOX　工具

实际上我们 A B 两点的接收端

跟我们电压的注入的输出端

都已经预先连接在一起了

从我们 BODE BOX 输出

然后到我们板子上注入电阻之间

这一段的线路阻抗

这个是不可避免的

所以我们如果用这种 BODE BOX 方式的话

也有可能会出现我们前面所说的

在高频段增益逐渐往上爬

然后相位逐渐下降的情况

我们从右边这个图里面

这条蓝色的线就很明显可以看出来

我们在做环路测量的时候

往往都是需要先指定一个参考的电压点

来作为接收端 A B 电压的参考点

对于我们单端输出的系统来说

我们一般都会采用它的输出地来做参考

那如果说有些变换器它有比较长的输出的线路

然后它有可能会采用远端的电压检测

这个时候我们可以选择把参考点

放在它远端检测的那个负端来作为参考

但是有些特殊情况我们还需要具体分析

我们这里举了一个例子

就是叫 LM4041 的一个稳压电路

它是 12V 的输入电压

经过一个 10k 欧电阻 经过 4041

然后作为一个 2.5 伏的参考

最终输出会是一个 5V 的电压

按照我们前面讨论的方式

我们以输出地作为参考点

然后我们把注入的电压源

注入到我们在输出端

跟这个上分压电阻 10k 之间

然后作为注入的电压源

我们来做环路的检测

但是这样子测出环路的增益和相位

却跟我们通常所见的环路增益区别很大

我们测出的结果类似于二阶系统的环路响应图

很明显我们的测试方法出了问题

这个时候我们可以来看

我们这个 LM4041 的内部框图

芯片的内部参考

它实际上是以我们的正端

也就是 Vout 这里作为参考值的

当我们把 LM4041 接近我们电路

形成一个闭环系统的时候

实际上从输出到我们反馈脚上

它会有两个通路

第一个通路

它是通过我们的输出电阻分压网络

然后到我们的 FB 脚

第二个通路很明显就是说

从输出经过这个参考

然后对我们的 FB 来形成影响

所以说我们如果说只是把注入电阻

放在我们的电阻分压那条支路上来看的话

我们得到的图明显就是不对的

这个时候就需要我们改进它的连接方式

我们这个时候可以把我们的注入电阻

放在我们的地端

然后把我们的参考点选择在我们的输出端

这样子的分析结果来看

我们可以看到

这样子的连接方式

我们就可以看到就是说

从负端然后到我们的 Vout 的正端

只有一个反馈的通路

很显然就不会存在多反馈通道的问题

我们基于这种方式

然后来对环路重新做了测量

得到了右下角这个图的结果

这个才是我们整个系统真正的波特图

对于我们开关电源来说

它的工作条件往往是能够发生变化的

比如说它的输入电压有可能会发生变化

它的输出电流也有可能会发生变化

它的工作温度也有可能发生变化

最重要的是它的输出电压

也有可能在有的情况下会需要进行调整

对于我们电源系统来说

要确保我们这个电源系统

在所有的可能出现的应用条件下

都能够保证稳定

这个就需要我们在做环路测试的时候

要确保在每个极限的点

都能够做环路的测试

来确保我们系统

不会在某些条件下出现不稳定的现象

最后我们来做一个总结

首先我们第一点就是说

我们在做环路测试之前

必须要保证我们受测电路

是能够正确的连接的

第一个我们要保证我们要把电压注入点

选择一个合适的点

要使我们每一点的 Z1 跟 Z2 的阻抗

都能够满足我们的假设条件

然后如果我们按照通常的选择方法

不能覆盖到所谓的反馈通路的话

我们就需要考虑到更换一个电压注入点

第二个方面我们今天谈到的就是说

我们告诉了大家怎么样

正确的设置环路分析仪

以及如何的正确选择注入电压源的隔离器

对于测试方法这块

我们还提到了接收器这一端

必须要考虑到测试线比较长的情况下

它会对我们的环路测试的结果

会有什么样的影响

最后我们建议大家

要对有可能出现的所有工作情况

做一个环路稳定性的检测

前面我们提到的这些计算以及推导的过程

都可以在我们 TI 的官网上

找到相应的参考的文章

大家如果感兴趣的话

可以找到我们这五个参考文献

了解更多的细节

好 本课程就到这里

谢谢大家

前面我们已经讲到了

整个做环路测试当中

包括我们的受测设备选择点

包括我们环路分析仪要怎么设置都已经提到了

我们这一节主要是讲

怎么样把我们的测试线接到我们实际电路当中

我们不同的接法

对于我们整个环路测试的结果会有什么影响

这里我们先看测试的例子

我们用一颗 TPS53355

然后做一个测试

它是 12V 输入 1.2V 输出

400kHz 的测试条件下

然后我们测试它的环路增益

我们是用六英寸的很长一根线

那我们中间这个图里面

棕色的线就是用这种连接方式

然后测出来的测试结果

这有个问题

为什么在高频段这个增益会逐渐增加

然而这个相位却发生急剧的下降

这个时候我们依然用同样一块板

但是我们用一根更短的线

就说我们是用 0.5 英寸的线

然后重新对这个电源做测试

测试的结果就是在我们这个图中

以绿色的线表示

很显然我们这条绿色的线

在高频段它的增益

并没有发生逐渐往上翘的现象

它的相位也没有说发生急剧往下滑的现象

对于同一块板两种不同的连接方式

它们是如何影响到我们整个环路的测试结果

左边这个图实际上是列出了

我们在做环路分析的时候真正的连接方式

我们把连接线上的一些寄生的一些参数

包括电阻包括一些电感

它们的参数也画到我们这个图里面

连接线上的等效阻抗

我们可以认为是 ZL

假如说我们这个时候

我们 A B 两点的测试点

跟我们那个隔离器的输出点

是直接连在一起的

也就是我们图上的 VA' 跟 VB' 这两个点

是完全连接在一起的

所以我们这个时候环路分析仪上

测试到的电压

VA 跟 VB 它实际上是包含了

由于我们线路阻抗所产生的额外的压降 Vdrop

考虑到这个寄生参数的影响之后

我们测量出的环路增益就会变成

我们左下角这个公式

对我们整个系统来讲

它的开环增益在高频段

实际上是会远远小于一的

所以说我们这个测出来的环路增益

在频段很高的场合的话

TS 会逐渐趋近于零

我们可以把上面这个

测出来的环路增益进行简化

就会发现它会变成由一个线路寄生阻抗 ZL

跟我们注入点的注入阻抗的分压比

在高频段我们线路的寄生阻抗 ZL

实际上会逐渐呈一个感性

也就是它的阻抗会越来越大

当然我们注入点阻抗就会逐渐呈现容性

也就是电阻会越来越小

所以说我们在随着频率的升高的话

我们会看到整个的测试环路增益

会逐渐的上升

为了避免出现这种情况

我们能做的话

就是尽量要让我们的 ZL 要做到越小越好

ZL 越小也就意味着线要越短越好

但是在有的场合

我们的线有时候是不能再减小了

这个时候我们可以考虑

用两根独立的线

分别从 A B 两点直接到我们板上

注入点之间来测量它们之间的电压值

我们根据前面的分析就来做了验证

首先我们看右上角这个连接图

右上角的连接图

我们采用了我们第一种连接方式

也就是说它是我们的接收端

A B 两点它都是跟我们注入电压源

两点是直接连在一起的

在这个测试里面

我们尽量的使从我们源到我们板子上

注入电阻之间的线做到尽量短

绿色这条线是它的测试结果

第二种测试方法也就是下面这个图

我们这里我们就把接收点

跟我们的源的注入点这两条线是分开来

在这个测试里面

我们可以用一根比较长的线

然后连接到我们的两个接收点

A B 之间这样的都没有问题

然后这样子做出来测试结果

是我们这个图里面的黄色这个线

我们从结果来看

这两种测试结果区别不是太大

有的环路分析仪的厂家

它实际上还提供一些产品

比如说叫 BODE BOX 的工具

用 BODE　BOX　工具

实际上我们 A B 两点的接收端

跟我们电压的注入的输出端

都已经预先连接在一起了

从我们 BODE BOX 输出

然后到我们板子上注入电阻之间

这一段的线路阻抗

这个是不可避免的

所以我们如果用这种 BODE BOX 方式的话

也有可能会出现我们前面所说的

在高频段增益逐渐往上爬

然后相位逐渐下降的情况

我们从右边这个图里面

这条蓝色的线就很明显可以看出来

我们在做环路测量的时候

往往都是需要先指定一个参考的电压点

来作为接收端 A B 电压的参考点

对于我们单端输出的系统来说

我们一般都会采用它的输出地来做参考

那如果说有些变换器它有比较长的输出的线路

然后它有可能会采用远端的电压检测

这个时候我们可以选择把参考点

放在它远端检测的那个负端来作为参考

但是有些特殊情况我们还需要具体分析

我们这里举了一个例子

就是叫 LM4041 的一个稳压电路

它是 12V 的输入电压

经过一个 10k 欧电阻 经过 4041

然后作为一个 2.5 伏的参考

最终输出会是一个 5V 的电压

按照我们前面讨论的方式

我们以输出地作为参考点

然后我们把注入的电压源

注入到我们在输出端

跟这个上分压电阻 10k 之间

然后作为注入的电压源

我们来做环路的检测

但是这样子测出环路的增益和相位

却跟我们通常所见的环路增益区别很大

我们测出的结果类似于二阶系统的环路响应图

很明显我们的测试方法出了问题

这个时候我们可以来看

我们这个 LM4041 的内部框图

芯片的内部参考

它实际上是以我们的正端

也就是 Vout 这里作为参考值的

当我们把 LM4041 接近我们电路

形成一个闭环系统的时候

实际上从输出到我们反馈脚上

它会有两个通路

第一个通路

它是通过我们的输出电阻分压网络

然后到我们的 FB 脚

第二个通路很明显就是说

从输出经过这个参考

然后对我们的 FB 来形成影响

所以说我们如果说只是把注入电阻

放在我们的电阻分压那条支路上来看的话

我们得到的图明显就是不对的

这个时候就需要我们改进它的连接方式

我们这个时候可以把我们的注入电阻

放在我们的地端

然后把我们的参考点选择在我们的输出端

这样子的分析结果来看

我们可以看到

这样子的连接方式

我们就可以看到就是说

从负端然后到我们的 Vout 的正端

只有一个反馈的通路

很显然就不会存在多反馈通道的问题

我们基于这种方式

然后来对环路重新做了测量

得到了右下角这个图的结果

这个才是我们整个系统真正的波特图

对于我们开关电源来说

它的工作条件往往是能够发生变化的

比如说它的输入电压有可能会发生变化

它的输出电流也有可能会发生变化

它的工作温度也有可能发生变化

最重要的是它的输出电压

也有可能在有的情况下会需要进行调整

对于我们电源系统来说

要确保我们这个电源系统

在所有的可能出现的应用条件下

都能够保证稳定

这个就需要我们在做环路测试的时候

要确保在每个极限的点

都能够做环路的测试

来确保我们系统

不会在某些条件下出现不稳定的现象

最后我们来做一个总结

首先我们第一点就是说

我们在做环路测试之前

必须要保证我们受测电路

是能够正确的连接的

第一个我们要保证我们要把电压注入点

选择一个合适的点

要使我们每一点的 Z1 跟 Z2 的阻抗

都能够满足我们的假设条件

然后如果我们按照通常的选择方法

不能覆盖到所谓的反馈通路的话

我们就需要考虑到更换一个电压注入点

第二个方面我们今天谈到的就是说

我们告诉了大家怎么样

正确的设置环路分析仪

以及如何的正确选择注入电压源的隔离器

对于测试方法这块

我们还提到了接收器这一端

必须要考虑到测试线比较长的情况下

它会对我们的环路测试的结果

会有什么样的影响

最后我们建议大家

要对有可能出现的所有工作情况

做一个环路稳定性的检测

前面我们提到的这些计算以及推导的过程

都可以在我们 TI 的官网上

找到相应的参考的文章

大家如果感兴趣的话

可以找到我们这五个参考文献

了解更多的细节

好 本课程就到这里

谢谢大家