电源环路分析仪

尽管环路分析是检测控制系统稳定性的重要手段，但是测试过程中有诸多细节需要注意，如何快速理解环路分析的意义？环路分析需要怎样设定参数？环路分析的结果该如何读取呢？[b]一、如何三句话讲清楚环路分析在做什么？[/b]1、稳定可靠的系统必须是闭环系统（带反馈）。控制器根据系统的实际输出与理想输出的偏差来设计算法，使输出值逼近设定值；2、系统稳定性需要依靠环路中的增益相位裕量来量化，这个指标可以通过扫频来测量；3、环路分析就是在控制系统中注入频率变化的干扰信号，从而得出系统的频率响应曲线。总得来说，通过环路分析就能知道当负载端变化时控制系统的表现是否稳定，就这么简单！[align=center] [img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180416/20180416140424_61743.png[/img][/align][align=center]环路分析结果图片[/align][b]二、环路分析的结果是什么？[/b]示波器根据输出信号、输入信号的幅度、相位随频率变化的关系，可得到环路系统的伯德图（幅频特性、相频特性）。想要对产品的稳定性有所了解，靠品牌、经验、还有研发人员拍胸脯都是不够的，有了伯德图协助定量分析，一测便知。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180416/20180416140434_28683.png[/img][/align][align=center]环路分析数据报表[/align][b]三、有了环路分析，电源性能会有哪些提升？[/b]通过环路分析可以量化电源的频率响应特性，从而将电源朝着更稳定的方向优化。工程师再也不用通过盲目的反复尝试去积累经验，器件选型也不用过分考虑裕量，从而更好的控制电源成本。[b]四、环路分析的关键测试步骤及参数设定[/b]1、寻找干扰信号注入点在电压反馈型的开关电源电路中，测试信号注入点为反馈回路的取样点与输出电压点之间。要辨别采样点比较简单，只需观察反馈电压由输出电压的哪条支路分压得到即可。注入电阻可选择10～100欧的电阻，这种电阻在反馈电路中影响不大，推荐在系统设计时就提前预留此电阻。2、注入信号幅度调节注入信号的幅度经验值可设为输出电压的5%。如果幅度不能过小，示波器可能无法识别；过大则可能使系统出现非线性导致测量失真。3、扫描频率范围设定环路系统的截止频率推荐设为开关频率的1/20～1/6，在这个范围内，一般可以找到环路的穿越频率点。此处留意环路系统穿越频率不能过低，否则环路无法响应高频的负载波动，从而引起输出电压的噪声。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180416/20180416140444_37786.png[/img][/align][align=center]环路分析参数设置界面[/align][b]五、环路分析测量系统的搭建[/b]在ZDS4000环路分析开关电源的应用中，除了示波器之外，还需要信号发生器模块、高压隔离变压器配合。信号发生器模块用于注入信号的产生（普通信号发生器也可代替），高压隔离变压器用于隔离注入电路对环路电路工作的影响。Tip：由于注入信号幅度微弱，推荐选用1X衰减的探头测试。若使用10X，则信号衰减后很容易被噪声淹没。在接地时也尽量使用接地弹簧，而不是接地夹子。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180416/20180416140455_76596.png[/img][/align][b]六、环路分析样例数据解读[/b]由于开关电源闭环系统的反馈较为简单，可以根据环路分析所得的波特图进行简约分析：在闭环增益为0dB时，即穿越频率时，相位裕度一般需要大于45度；在相位接近0度时，此时闭环增益应小于-20dB。若符合上述条件，则此闭环为稳定系统。如下图所示，屏幕右上角显示系统的相位裕度为135.5度，增益裕度为30db。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180416/20180416140504_31102.png[/img][/align]

本人给医院的检验科装了一套美国山特的C6KS主机加蓄电池，现在出问题了，UPS电源给生化分析仪供电，现在分析仪只要连接上UPS电源后就检测出来的数据是有问题的，经检查是因为市电的零地电压过高，后来给UPS电源后端加了一台隔离变压器，把零地电压给降到了0V，后来接上UPS电源后就正常工作了，可是过了两天又不行了，又回复到原来的情况了，请问各位大师们怎么解决啊，

电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz，最高可达150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。[b]示波器频域分析在电源调试的应用[/b]本文谈到这么多年来最受关注的电源噪声测量问题，有最实用的经验总结，有实测案例佐证，有仿真分析相结合。在电源噪声的分析过程中，比较经典的方法是使用示波器观察电源噪声波形并测量其幅值，据此判断电源噪声的来源。但是随着数字器件的电压逐步降低、电流逐步升高，电源设计难度增大，需要使用更加有效的测试手段来评估电源噪声。本文是使用频域方法分析电源噪声的一个案例，在观察时域波形无法定位故障时，通过FFT（快速傅立叶变换）方法进行时频转换，将时域电源噪声波形转换到频域进行分析。电路调试时，从时域和频域两个角度分别来查看信号特征，可以有效地加速调试进程。在单板调试过程中发现一个网络的电源噪声达到80mv，已经超过器件要求，为了保证器件能够稳定工作必须降低该电源噪声。[align=center] [img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180329/20180329145409_85669.png[/img][/align]在调试该故障前先回顾下电源噪声抑制的原理。如下图所示，电源分配网络中不同的频段由不同的元件来抑制噪声，去耦元件包含电源调整模块（VRM）、去耦电容、PCB电源地平面对、器件封装和芯片。VRM包含电源芯片及外围的输出电容，大约作用于DC到低频段（100K左右），其等效模型是一个电阻和一个电感组成的二元件模型。去耦电容最好使用多个数量级容值的电容配合使用，充分覆盖中频段（数10K到100M左右）。由于布线电感和封装电感的存在，即时大量堆砌去耦电容也难以在更高频起到作用。PCB电源地平面对形成了一个平板电容，也具有去耦作用，大约作用在数十兆。芯片封装和芯片负责高频段（100M以上），目前的高端器件一般会在封装上增加去耦电容，此时PCB上的去耦范围可以降低到数十兆甚至几兆。因此，在电流负载不变的情况下，我们只要判断出电压噪声出现在哪个频段，那么针对这个频段所对应的去耦元件进行优化即可。在两个去耦元件的相邻频段时两个去耦元件会配合作用，所以在分析去耦元件临界点时相邻频段的去耦元件也要同时纳入考虑。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180329/20180329145421_52774.png[/img][/align]根据传统电源调试经验，首先在该网络上增加了一些去耦电容，增加电源网络的阻抗余量，保证在中频段的电源网络阻抗都能满足该应用场景的需求。结果纹波仅降低几mV，改善微乎其微。产生这个结果有几个可能：1、噪声处在低频，并不在这些去耦电容起作用的范围内；2、增加电容影响了电源调节器VRM的环路特征，电容带来的阻抗降低与VRM的恶化抵消了。带着这个疑问，我们考虑使用示波器的频域分析功能来查看电源噪声的频谱特性，定位问题根源。示波器的频域分析功能是通过傅立叶变换实现的，傅立叶变换的实质是任何时域的序列都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。我们分析这些正弦波的频率、幅值和相位信息，就是将时域信号切换到频域的分析方法。数字示波器采样到的序列是离散序列，所以我们在分析中最常用的是快速傅立叶变换（FFT）。FFT算法是对离散傅立叶变换（DFT）算法优化而来，运算量减少了几个数量级，并且需要运算的点数越多，运算量节约越大。[b]示波器捕获的噪声波形进行FFT变换的关键点[/b]示波器捕获的噪声波形进行FFT变换，有几个关键点需要注意。1、根据耐奎斯特抽样定律，变换之后的频谱展宽（Span）对应与原始信号的采样率的1/2，如果原始信号的采样率为1GS/s，则FFT之后的频谱展宽最多是500MHz；2、变换之后的频率分辨率（RBW Resolution Bandwidth）对应于采样时间的倒数，如果采样时间为10mS，则对应的频率分辨率为100Hz；3、频谱泄漏，即信号频谱中各谱线之间相互干扰，能量较低的谱线容易被临近的高能量谱线的泄漏所淹没。避免频谱泄漏可以尽量采集速率与信号频率同步，延长采集信号时间及使用适当的窗函数。电源噪声测量时不要求较高的采样率，所以可以设置很长的时基，这也意味着采集的信号时间可以足够长，可以认为覆盖到了整个有效信号的时间跨度，此时不需要添加窗函数。调整以上设置可以得到比较准确的FFT变换曲线了，再通过zoom功能查看感兴趣的频点。如下图中电源噪声的主要能量集中在11.3KHz左右，并以该频率为基波频率谐振。据此可以推断本PDN网络在11.3KHz处的阻抗不能满足要求，电容在该频点的阻抗也比较高，起不到降低阻抗的作用，所以前面增加电容并不能减小电源噪声。一般来说，11.3KHz应该是VRM的管辖范围，此处出现较大噪声说明VRM电路设计不能满足要求。这里对VRM的性能进行分析，VRM分析的方法众多，此处主要采用仿真其反馈环路波特图的手段。波特图主要观察几个关键信息：1、穿越频率，增益曲线穿越0dB线的频率点；2、相位裕度，相位曲线在穿越频率处所对应的相位值；3、增益裕度，相位在-360°时所对应的增益值。这里我们主要关注穿越频率和相位裕度这两个指标。从VRM的环路波特图（如下图a）可以看到，VRM的穿越频率在8KHz左右，相位裕度37度。这里存在两个问题：首先VRM的相位裕度一般需要大于45度才能保证环路的稳定工作，这里相位裕度稍小一些，需要增加相位裕度；其次穿越频率太低，穿越频率附近VRM的调整作用逐渐降低，而此频点bulk电容还起不到作用，所以在8KHz附近会存在较高的阻抗，这个频点的噪声抑制作用较差。下图（b）是优化VRM环路之后的波特图，调整相位裕度到50度，穿越频率推到46KHz左右。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180329/20180329145434_88284.png[/img][/align]对优化后的VRM验证纹波，可以看到纹波明显降低到33mv，能够满足器件要求。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180329/20180329145443_15140.png[/img][/align]上述案例是使用示波器FFT功能快速定位电源问题的过程，从这个例子可以看到示波器的频域分析功能在电路调试时可以发挥很大作用。示波器的FFT功能配合长存储深度可以很方便地分析低频率长周期信号，这个优势在数字电路调试中比较突出。