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(jìn)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(yùn)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。

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(dāng) 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：

l開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值為 |T(s)|=1=0dB

l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(shí)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(biāo)：

●相位裕度 (Phase Margin，PM )

當(dāng)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(jìn)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(dāng)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(fù)值。正增益裕度表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，負(fù)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(dāng)增益為0dB時對應(yīng)的頻率為“穿越頻率”

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(jìn)行環(huán)路分析測試的電路拓?fù)鋱D。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(jìn)行測量

4、操作步驟

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

MSO5000系列數(shù)字示波器

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(biāo) ，打開功能導(dǎo)航菜單，然后點(diǎn)擊“伯德圖”圖標(biāo)，進(jìn)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(jìn)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(xiàng)參數(shù)輸入框，通過觸摸彈出的數(shù)字鍵盤，對參數(shù)進(jìn)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。

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?fù)鋱D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

Step4 啟動環(huán)路分析測試

在伯德圖功能設(shè)置菜單中 運(yùn)行狀態(tài) 鍵初始顯示其功能為“啟動”，按 運(yùn)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(yùn)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(yùn)行狀態(tài) 鍵恢復(fù)顯示其功能為“啟動”。可在 Bode Wave 窗口中查看，伯德圖，如下。

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(jìn)行保存。

由普源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(jìn)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(biāo)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。

審核編輯黃宇