使用网络分析仪测试双向直流电源的频率响应与负载的关系，需结合控制环路注入法或输入扰动法，通过改变负载条件（如电阻值、电流大小）并测量电源在不同负载下的频率响应（如环路增益、输出阻抗），分析负载对电源动态性能的影响。以下是详细步骤和关键注意事项：
一、测试原理
双向直流电源的频率响应（如环路增益、输出阻抗）受负载影响显著，主要原因包括：
- 负载电流变化：负载电流（I_load）影响电源内部损耗（如导通损耗、开关损耗），进而改变控制环路参数（如误差放大器增益、补偿网络零极点）。
- 输出电容ESR变化：负载电流增大时，输出电容的等效串联电阻（ESR）可能因温升或电流应力而变化，影响输出阻抗的高频特性。
- 控制环路非线性：重载或轻载下，电源可能进入非线性工作区（如电流限流、电压跌落），导致频率响应失真。
通过测量不同负载条件下的频率响应（如波特图），可分析负载对电源稳定性、动态响应速度的影响。
二、所需设备
- 网络分析仪：具备扫频功能（如10Hz~1MHz）和双端口测量能力（S参数测量），例如Keysight E5061B或R&S ZNL。
- 可调电子负载：支持恒电阻（CR）、恒电流（CC）模式，负载范围覆盖电源额定值（如0~100%额定负载）。
- 注入变压器：将网络分析仪的输出信号隔离注入电源控制环路（如误差放大器输入端）。
- 隔离探头：测量电源输出电压或电流，避免地环路干扰。
- 测试夹具与校准件：如SMA接口、短路-开路-负载校准套件。
- 温度监测设备（可选）：热电偶或红外测温仪，监测电源内部温度（负载变化可能引起温升）。
三、测试步骤
1. 校准网络分析仪
- 使用短路（Short）、开路（Open）、负载（Load）校准件，依次连接至网络分析仪的测试端口。
- 执行全双端口校准（SOLT），消除测试线缆和夹具的损耗及相位误差。
2. 设置测试参数
- 频率范围：根据电源开关频率（f_sw）设置，例如10Hz~1MHz（f_sw=100kHz时）。
- 输出功率：设置低幅值信号（如-20dBm，约100mVpp），避免电源进入非线性区。
- 中频带宽（IF BW）：设置为1kHz，平衡测量速度与噪声抑制。
- 注入方式：
- 控制环路注入法（推荐）：
- 将注入变压器的初级侧连接至网络分析仪的输出端口，次级侧通过隔直电容连接至电源误差放大器的反馈节点（如V_FB）。
- 测量误差放大器输出（或电源输出端）的响应信号，输入至网络分析仪的接收端口。
- 输入扰动法（备选）：
- 在电源输入端串联信号源，通过隔离探头测量输出电压对输入扰动的响应（适用于开环测试）。
3. 负载条件设置
- 恒电阻模式（CR）：固定电子负载电阻值（如R_load = 1Ω、10Ω、100Ω），模拟不同负载阻抗。
- 恒电流模式（CC）：固定负载电流值（如I_load = 0.1A、1A、10A），模拟不同负载电流。
- 负载步进：从轻载（如10%额定负载）到重载（如100%额定负载），逐步增加负载电流或减小负载电阻。
4. 数据采集与记录
- 温度稳定：若负载变化引起电源温升，需等待温度稳定（如恒温5分钟）后再进行测试。
- 扫频测试：对每个负载条件，启动网络分析仪扫频测试，保存波特图数据（增益∣T(jω)∣和相位∠T(jω)）。
- 重复测试：每个负载条件下重复测试3次，取平均值减少随机误差。
5. 数据分析
- 关键指标提取：
- 环路带宽（f_c）：增益下降至0dB时的频率。
- 相位裕度（PM）：相位达到-180°时的增益裕度。
- 增益裕度（GM）：增益为0dB时的相位与-180°的差值。
- 输出阻抗（Z_out）：通过S21参数计算（Z_out = 50Ω × (1 - S21)/(1 + S21)）。
- 负载依赖性分析：
- 观察环路带宽、相位裕度、输出阻抗随负载电流或电阻的变化趋势。
- 例如，重载下环路带宽可能降低（因控制环路增益下降），相位裕度减小（稳定性变差）；输出阻抗在高频段可能因电容ESR变化而上升。
四、关键注意事项
- 注入点选择：
- 控制环路注入法需选择误差放大器反馈节点（如V_FB），避免注入到高阻抗节点（如补偿网络电容）导致信号衰减。
- 输入扰动法需确保扰动信号幅值足够小（如<1%额定电压），避免电源进入非线性区。
- 负载稳定性：
- 电子负载需具备快速响应能力（如响应时间<1ms），避免负载突变引起电源振荡。
- 恒电流模式下，需确保电源输出电压不低于最小工作电压（如避免进入欠压保护）。
- 信号隔离：
- 注入变压器需具备高隔离电压（如1kVrms），避免电源高压侧与控制侧短路。
- 隔离探头需选择高压差分探头（如1000V CAT III），确保测量安全。
- 测试条件一致性：
- 电源需处于闭环控制状态（如恒压模式），且输入电压稳定（如使用线性稳压电源供电）。
- 避免在电源启动或关断过程中测试，防止瞬态过程干扰频率响应。
- 数据同步：
- 使用网络分析仪的标记功能记录关键频率点的增益和相位值，并将负载条件（电流/电阻值）与波特图数据同步保存。
五、结果应用
- 稳定性评估：通过分析负载对环路带宽和相位裕度的影响，评估电源在不同负载下的稳定性，为实际应用提供依据。
- 设计优化：根据测试结果，优化控制环路补偿网络（如调整补偿电阻/电容值），或改进输出电容选型（如选用低ESR电容），以改善重载或轻载下的动态性能。
- 负载调整率测试：结合频率响应数据，分析负载突变（如阶跃负载）下电源的输出电压过冲/跌落和恢复时间，验证电源的动态响应能力。
