【PI_电源环路】快速掌握用PSM3750评估电源环路稳定性

1. 电源环路稳定性概述

电源环路测试是评估开关电源、线性电源等闭环系统稳定性的核心手段，直接关系到电源的稳定性、输出精度、动态响应、抗干扰能力甚至可靠性。

1.1. 电源环路工作原理

电源等效闭环是指将电源的功率级（如Buck、Boost等变换器）、反馈网络、控制器（如PWM调制器）等部分整合为一个闭环控制系统模型。通过建立闭环传递函数，分析系统对输入扰动（如输入电压变化、负载变化）的响应，确保输出电压稳定。

电源等效框图：

Ve到Vc的传递函数为Gc(s)，从Vc到Vo的传递函数为Gp(s)，反馈网络为电阻组成的分压网络，其传递函数为H(s)，再加上加法器，因此，整个BUCK环路可以化简成控制回路方框图：

可进一步简化成如下框图：

系统的稳定性由分母 1+G(s)H(s)的特性决定。根据奈奎斯特稳定判据，当环路增益G(s)H(s)=-1时，分母为零，闭环增益将趋于无穷大。这意味着任何微小的输入扰动都可能导致输出产生剧烈的振荡，使系统失控。因此，分析环路增益G(s)H(s)的幅频特性和相频特性是判断系统稳定性的核心。

1.2. BODE图

伯德图是控制工程、信号处理领域的核心工具，用来直观展示线性系统传递函数的频率响应特性，是分析电源环路稳定性、滤波器性能、控制系统动态特性的"通用语言"。

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| 子图 | 横轴 | 纵轴 | 曲线含义 |
| 幅频特性图（上半部分） | 频率（对数坐标，单位Hz/kHz/MHz） | 增益（对数坐标，单位dB） | 系统对不同频率信号的放大/衰减能力 |
| 相频特性图（下半部分） | 频率（对数坐标，单位Hz/kHz/MHz） | 相位（单位°，范围通常-180°~+180°） | 系统对不同频率信号引入的相位偏移 |

穿越频率fc（crossover frequency）：增益曲线穿越0dB线的频率点；
相位裕量phase margin）：相位曲线在穿越频率处的相位和-180度之间的相位差；
增益裕量(Gain margin)：增益曲线在相位曲线达到-180度的频率处对应的增益；

2. 电路环路稳定性测试

2.1. 测试组网

为了测量控制环路的响应，必须在反馈路径中注入一个扰动信号（具有特定幅度和频率范围的扫频正弦波）。通常，这个注入点位于反馈分压网络中。

2.2. 测试设置

提升测试精准度的关键点需注意一下几点：

优选注入点位置：断开点最好选择电源输出到反馈电阻之间。
控制注入电压幅度：注入的电压不能太大，否则会影响整个环路，但也不能太小，因为有可能被电源噪声淹没而无法测量。一般选择输出电压的2%~5%之间或者100mV~1V之间。
关注高频误差：电压注入法测得的环路特性高频处可能与实际相差较大，测试时要注意甄别。
合理设定扫频点数：扫频点的选择太多会得到更平滑真实的环路特性曲线，但使得测试时间加长；而扫频点太少则会使得环路特性曲线畸变但测试时间短。因此需要做好平衡，一般每十倍频选择5~10个点为宜。
电压注入高频隔离措施：测试时注入纹波的源和设备的注入点之间一定记得加高频隔离变压器，以免由于共地问题导致损坏测试设备或电源。
注入电阻：建议在电路设计时即预留一个0欧姆电阻或焊盘作为注入点。回路测量时，注入点的测量电阻插入到输出和负反馈电路中去，测量电阻一般为5-10Ω。
设定不同拉载情况：实际测试中通常利用电子负载进行拉载，分全载、半载、空载几种情况下进行测试。
正确使用测试探头: 由于注入和反馈的信号通常很微弱，推荐使用 1X 衰减的探头进行测试。若使用10X探头，信号会被进一步衰减，更容易被噪声干扰。缩短探头的地线长度能提高测试精度。