使用矢量网络分析仪（VNA）测量双向直流电源的环路增益和相位裕度，需通过注入法将电源的闭环系统转换为开环系统，再利用VNA测量开环频率响应（增益和相位），进而计算相位裕度。以下是详细步骤及关键要点：
一、测量原理与核心步骤
环路增益（Loop Gain）是电源闭环系统在开环状态下的频率响应，其相位裕度（Phase Margin）是系统稳定性的关键指标。测量需通过注入点引入小信号扰动，使闭环系统局部开环，再通过VNA测量扰动信号的传输特性。
1. 确定注入点
- 选择位置：注入点应位于电源的反馈环路中，通常选择误差放大器的输出端（如TL431的阴极）或光耦的输入端。
- 注入方式：
- 串联注入：在反馈路径中串联一个注入电阻（如10Ω），通过电阻两端的电压差测量环路增益。
- 并联注入：在反馈路径上并联一个注入变压器或电容，通过隔离方式注入信号。
2. 构建开环测试电路
- 断开反馈环路：在注入点处断开反馈路径，插入注入电阻或变压器。
- 隔离直流偏置：使用直流阻断电容（如0.1μF）或变压器隔离直流分量，避免影响电源正常工作。
- 连接VNA：将VNA的输出端连接至注入点的一侧，输入端连接至另一侧，形成信号传输路径。
二、具体操作流程（以串联注入为例）
1. 硬件准备
- 注入电阻：选择阻值较小的电阻（如10Ω），减少对环路的影响。
- 直流阻断电容：选择高频特性好的电容（如陶瓷电容），容量需根据电源工作频率选择（如10kHz以下可用1μF，高频测试需更小容量）。
- VNA设置：根据电源工作频段设置频率范围（如10Hz~1MHz），中频带宽（IFBW）设为1kHz以平衡速度与精度。
2. 校准VNA
- 单端口校准：在注入点处进行单端口校准（开路、短路、50Ω负载），消除连接器、线缆的误差。
- 双端口校准（可选）：若需更高精度，可进行双端口校准（如SOLT），但需确保校准平面与测试平面一致。
3. 连接测试电路
- 断开反馈环路：在误差放大器输出端断开反馈路径，插入10Ω注入电阻。
- 连接VNA：将VNA的输出端（Port 1）连接至注入电阻的一侧，输入端（Port 2）连接至另一侧。
- 隔离直流：在VNA与注入电阻之间串联直流阻断电容（如0.1μF）。
4. 测量环路增益
- 设置VNA模式：选择“S21”模式（传输系数），测量信号从Port 1到Port 2的传输特性。
- 扫描频率：启动VNA的频率扫描，记录增益（dB）和相位（度）随频率的变化曲线。
- 数据保存：将测量结果导出至电脑，用于后续分析。
5. 计算相位裕度
PM=180∘+ϕ
若ϕ为负值（如-120°），则PM=180∘−120∘=60∘。
三、关键注意事项
- 注入电阻选择：
- 阻值过大会显著影响环路特性，导致测量误差；阻值过小则信号幅度不足，信噪比降低。
- 典型值范围：1Ω~100Ω，需根据电源输出阻抗调整。
- 直流隔离：
- 必须使用直流阻断电容或变压器隔离直流分量，否则可能损坏VNA或电源。
- 电容容量需根据电源工作频率选择，高频测试需更小容量（如100pF~1nF）。
- 测试频率范围：
- 需覆盖电源的开关频率（如100kHz~1MHz）及其谐波范围。
- 若电源工作在低频（如音频范围），需扩展VNA的频率下限（如10Hz）。
- 信号幅度：
- VNA输出信号幅度需足够小（如-20dBm），避免对电源闭环稳定性产生影响。
- 若信号幅度过大，可能导致电源进入非线性区，测量结果失真。
- 安全操作：
- 双向直流电源可能输出高压（如400V），测试时需佩戴绝缘手套，使用高压探头。
- 确保VNA的输入/输出端口与电源高压部分隔离，避免电击风险。
四、实际应用示例
场景：测量一款48V输入、12V输出的双向DC-DC电源的环路增益和相位裕度。
- 注入点选择：在误差放大器（如LM5032）的补偿引脚（COMP）与光耦输入端之间断开反馈路径，插入10Ω注入电阻。
- 直流隔离：在VNA与注入电阻之间串联0.1μF陶瓷电容。
- VNA设置：频率范围10Hz~1MHz，IFBW=1kHz，输出信号幅度=-20dBm。
- 测量结果：
- 增益曲线：在10kHz处增益为0dB。
- 相位曲线：在10kHz处相位为-120°。
- 相位裕度：PM=180∘−120∘=60∘（系统稳定）。
五、替代方案（若VNA频率范围不足）
若VNA无法覆盖电源的开关频率（如1MHz以上），可使用以下方法：
- 信号发生器+示波器：
- 用信号发生器注入小信号，示波器测量输入/输出信号的幅度和相位差。
- 需手动计算增益和相位裕度，操作较复杂。
- 专用环路分析仪：
- 如AP Instruments 3000系列，专为电源环路测试设计，频率范围可达10MHz。
- 操作更简便，但成本较高。
