示波器是最重要的電源測試和表征工具。目前，許多示波器都可以提供專用的電源測量選件，以幫助工程師自動完成很多重要測試，例如是德科技InfiniiVision X 系列示波器。電源不僅僅需要進行時域的測量，頻域的測量也至關重要。頻率響應測量包括控制環路響應（伯德圖）和電源抑制比（PSRR）。此類特定的激勵響應測量通常是由低頻網絡分析儀完成，但是一些新的示波器內置了函數/ 任意波形發生器，所以也可用于此類測量。下面就介紹一下開關電源環路相應測試。

控制環路響應（伯德圖）

電源實際上是一個包含了負反饋控制環路的放大器，如圖1所示。這意味著雖然您可以把電源看作是一個直流放大器，但它實際上會放大交流信號并對輸出條件的變化做出響應，比如負載變化。

為了實現控制環路響應測試，就需要注入一個誤差信號到控制環路的反饋路徑中。在圖1中，這個反饋路徑就是指 R1 和 R2 的電阻分壓器網絡。需要把一個較小的電阻器串聯到反饋環路中，才能注入一個誤差信號。原理圖中顯示的這個5ohm注入電阻與R1和R2串聯阻抗相比是微不足道的。所以，也許可以考慮把這個低阻值注入電阻（Rinj）作為長久使用的測試器件。另外使用一個注入變壓器（例如 Picotest J2101A）來隔離這個交流干擾信號，從而不產生任何的直流偏置。

此處的測量系統是一臺內置 WaveGen 函數/任意波形發生器的示波器，可以測量在反饋網絡（Vin）的頂部和電源直流輸出（Vout）上的交流電壓電平。示波器還可以計算在掃描頻段內每個測試頻率點上的增益，dB=20Log(Vout/Vin)。同時還測量Vin和Vout之間的相位差。

圖 1：環路響應測試時電源閉環反饋網絡和示波器連接設置

輸入和輸出探測

嚴謹準確的測試技術是環路響應測試的必備條件。Vin和Vout在某些測試頻率點上的紋波電壓非常的小，很容易被示波器本底噪聲或者待測電源自身噪聲所淹沒，提高測試的信噪比可以提高頻率響應測試的動態范圍。盡管大部分示波器都標配10:1無源探頭，但是使用1:1無源探頭才能更好的降低示波器底噪和電源開關噪聲的影響，進而提高測試信噪比。如果使用是德科技的示波器，推薦使用35MHz帶寬的1:1無源探頭N2780A進行環路響應測試。

縮短探頭的地線長度對這個測試也很有幫助。探頭標配的接地線有些時候會像天線一樣吸收開關噪聲，如果在Vin和Vout測試點附近有接線柱，可以去掉標配的長地線和探頭帽，然后如圖2所示直接把探頭前端的探針和地斜靠在接線柱上。如果沒有接線柱，在PCB上找到一個較近的接地點，然后利用無源探頭附帶的彈簧地線附件做一個較短的地線連接，或者設計時預留一個探頭接口在PCB板上，可以獲得[敏感詞]的低噪聲地線連接同時不需要用手固定探頭。

圖 2：使用短地線測量可以在環路響應測試中提供[敏感詞]的信噪比

執行環路響應測量

圖 3 展示了對一個開關電源評估板進行環路響應測試時需要配置的隔離變壓器和1:1無源探頭，隔離變壓器使用的是Picotest的N2101A注入變壓器。這個電源測試板設計時已經在反饋回路中放置了5Ω注入電阻。

圖 3：環路響應測試隔離變壓器和1:1無源探頭的配置

環路響應測試需要使用一個帶有電源測試選件的示波器（以InfiniiVision X系列的示波器帶的軟件為例），[敏感詞]步先在電源測試項目列表里選擇環響應測試，然后選擇如圖4所示的 設置&應用 菜單，我們先用固定 200mVpp 峰峰值和50Ω阻抗的默認設置進行這項測試，由于隔離變壓器連接的注入電阻只有5Ω，實際上加在注入電阻上的電壓只有36mVpp左右。

圖 4：環路響應測試參數設置

請注意大部分頻率響應分析儀或矢量網絡分析儀設置注入電壓時是Vrms或者dBm并且是基于50Ω注入電阻，如果您要對比不同設備的測試結果（示波器，頻率響應分析儀，網絡分析儀），即便是在電壓單位不同的時候（Vpp，Vrms，dBm），也要務必確保注入電壓設置是相同的。

設置好測試參數之后直接點擊“應用”按鈕，如圖5所示，藍綠色和橙色分別為增益和相位在100Hz到20MHz掃描頻段內的曲線。示波器還在屏幕左下角自動顯示相位裕度（PM）和增益裕度（GM）測試結果。

圖 5：環路響應測試在固定注入電壓的增益曲線和相位曲線

我們可以看到測試結果中低頻時增益和相位結果有抖動，這種結果說明在這種頻率下信噪比可能太低了。一個簡單的提高信噪比的方法是把所有頻段的注入電壓幅值提高。但是提高注入電壓可能會造成信號失真或者0dB穿越時對應的相位裕度結果不對。

一個比較好的提高信噪比的方法是利用圖6所示的測量工具里的幅值配置功能來定制不同的注入電壓，通過幅值配置功能，您可以在待測電源敏感的頻率段使用低幅值注入電壓，在待測電源不敏感的頻率段使用高幅值注入電壓。開關電源反饋網絡一般在0dB穿越點附近最敏感，我們測的這個電源板是60KHz左右。

圖 6：利用幅度配置優化信噪比

圖7展示了通過定制注入電壓后的環路響應增益和相位的測試結果，可以看到因為信噪比不夠造成的測試結果抖動明顯變得很小。

圖 7：優化注入電壓配置后增益和相位測試結果

如何確定最適合的注入電壓呢？有工程師建議開始時用一個相對高的注入電壓進行測試，然后逐漸降低幅值進行多次測試，直到0dB穿越頻率穩定在某個頻率點。頻率響應測試一般多次的重復測試迭代出合適的注入電壓以得到[敏感詞]的動態范圍。

也可以使用示波器進行單個頻率點的相位和增益測量，例如在預計的0dB穿越頻率附近的某個頻率點，然后在示波器的波形發生器設置菜單里手工調整注入信號的電壓和頻率同時可以直觀地觀察實時波形的變化。

例如像圖5那樣以一個固定的低注入電壓運行整個掃頻范圍的測試來確定大概的0dB穿越頻率。在這個例子中我們知道0dB穿越頻率是62KHz左右，然后運行62KHz單個頻率點的測試并且逐漸升高注入電壓直到觀察到信號失真。一旦決定了0dB穿越頻率附近的[敏感詞]注入電壓，就可以簡單地在所有頻段內使用注入電壓。就可以在不同的頻率點進行更多的單頻率點測試以優化低頻或者高頻時的注入電壓幅度。

總結

示波器是當今工程師測試和表征電源設計最基礎的測量設備。現在不僅僅可以利用示波器測量時域的紋波、噪聲，還可以進行控制環路響應（伯德圖）和電源抑制比（PSRR）的等頻域參數。

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