環路增益是描述開關模式電源特性的一個重要參數。使用頻率分析儀來測定環路增益能讓您穩定電源並優化瞬態響應。
 

在測定波特圖之前，您需先斷開環路並在斷點處插入一個小型電阻器，如圖1所示。該頻率分析儀有一個信號源
，可跨該小型電阻器注入交流（AC）幹擾信號vds。

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圖1：典型的波特圖測定設置

 

其結果是，AC波動出現在跨該斷點的兩個節點（A和B）處。該頻率分析儀具有兩個接收器，能測量節點A和節點B處的信號vA和vB。您可用方程式1計算出該係統環路增益TV：

方程式1

 

為了準確測量TV，該分析儀必須準確測量vA和vB。頻率分析儀接收器已限製了信號測量分辨率。在本文中

，筆者將用來自AP Instruments公司的AP300（一款被廣泛使用的頻率響應分析儀）作為一個設置示例。圖2展示了AP300的接收器技術規格，圖3則展示了信號源技術規格。

圖2：AP300頻率響應分析儀的接收器技術規格(圖片來源：AP Instruments公司)

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圖3 AP300頻率響應分析儀的信號源技術規格(圖片來源：AP Instruments公司)

 

根據接收器技術規格，可測量的信號應大於5μV。為準確測量vA和vB的電壓
，這兩種信號的幅度均應大於該頻率響應分析儀可測量的信號振幅。

 

vA和vB的電壓與幹擾注入信號及環路增益本身都有關聯（方程式2）：

方程式2

 

求解方程式1和方程式2可得出方程式3和方程式4：

方程式4

 

當頻率比交叉頻率低時，環路增益的量值|TV|會遠遠大於1。信號vB接近於vds/|TV|。為確保信號vB/大於5μV的可測量幅度，幹擾信號vds應大於5μV × |TV|。具備嚴格調節功能的電源轉換器通常擁有大於60dB的直流（DC）增益。根據經驗法則
，vds在100Hz的頻率下起始值應為50mV。

 

另一項重要技術規格是信號源的輸出阻抗。AP300具有50Ω的輸出阻抗。為確保提供足夠的電能，最好在斷點處插入一個50Ω的(de)匹(pi)配(pei)電(dian)阻(zu)器(qi)。如(ru)果(guo)您(nin)是(shi)為(wei)補(bu)償(chang)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)的(de)損(sun)耗(hao)而(er)調(tiao)整(zheng)注(zhu)入(ru)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)
，那(na)麼(me)使(shi)用(yong)較(jiao)小(xiao)的(de)電(dian)阻(zu)器(qi)是(shi)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de)，但(dan)不(bu)要(yao)選(xuan)擇(ze)太(tai)小(xiao)的(de)電(dian)阻(zu)器(qi)。筆(bi)者(zhe)建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)這(zhe)樣(yang)的(de)電(dian)阻(zu)器(qi) —— 其電阻值大於該頻率響應分析儀信號源輸出端口輸出阻抗的五分之一。

 

如果您插入了一個小型電阻器，那麼請用方程式5來調整幹擾信號幅度。例如，對一個20Ω的電阻器而言，頻率為100Hz時vds的起始值應為88mV。

方程式5

 

在整個頻率範圍內都保持較大的恒定幹擾信號幅度並非上策。隨著頻率的增加
，|TV|的量值應減小，而這會使信號vsub>B增大。對有些應用來說
，在交叉頻率下的較大幹擾可能導致誤差放大器或占空比飽和。為使信號盡可能小，幹擾信號也應隨頻率減少。

 

圖4展示了AP300接口
，該接口提供了一個可編程信號源。該圖中的綠色跡線顯示了在頻率範圍內的幹擾信號幅度。

圖4：AP300波特圖的圖形用戶界麵（GUI）

圖5展示了采用25mV的恒定幹擾信號測定的波特圖。這幅測定的波特圖顯示
，在100Hz的頻率下增益僅為50dB；而筆者從高性能控製器TPS53661處估算，在100Hz的頻率下增益超過70dB。對穩壓器輸出DC調節功能而言，DC增益是一項重要指標。

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圖5：具有TPS53661控製器的步降型轉換器的波特圖（采用了25mV的恒定幹擾信號）

 

筆者對幹擾信號作了相應的調整，並再次測定了波特圖。測得的波特圖顯示，頻率為100Hz時增益要高得多，如圖6所示。

圖6：具有TPS53661控製器的步降型轉換器的波特圖（采用了可編程幹擾信號）

 

 

中頻（IF）帶寬（可減小IF接收器帶寬）能減少隨機噪聲對測量的影響。這使該頻率分析器需要更長的時間來完成測定任務。

 

圖6展示了采用不同信號帶寬時測量結果之間的差異。用10Hz的帶寬測定的波特圖非常幹淨平滑。用100Hz的帶寬測定的波特圖在頻率低於1kHz時則顯示出很多毛刺。對於交叉頻率低於10Hz的應用，筆者建議采用低於10Hz的IF帶寬，以獲得幹淨的波特圖。

圖7：采用不同測量帶寬的波特圖