如何用示波器与电子负载测试双向直流电源穿越频率？

使用示波器与电子负载测试双向直流电源的穿越频率（环路带宽，即增益交越频率），需通过控制环路注入法实现。该方法通过向电源的反馈环路注入小信号扰动，测量其频率响应特性，进而确定穿越频率。以下是详细步骤及注意事项：

一、测试原理

穿越频率是电源环路增益 T(jω) 的幅值降至0dB（即增益为1）时的频率点。此时相位裕度（相位与-180°的差值）需满足稳定性要求（通常≥45°）。测试需通过注入小信号扰动，分离反馈信号与扰动信号，测量环路对扰动的响应。

二、测试设备与连接

1. 设备清单：
   • 双向直流电源：待测电源（如48V输入/24V输出，额定功率1kW）。
   • 电子负载：用于设置负载电流（如可编程直流电子负载，支持CC/CV模式）。
   • 示波器：带宽≥100MHz，支持FFT分析或波特图测量功能（如R&S RTO系列、Tektronix MSO系列）。
   • 信号发生器：产生低幅值正弦波扰动（如100mVpp，频率范围10Hz~1MHz）。
   • 注入变压器：隔离信号发生器与电源环路（避免直流偏置影响）。
   • 隔直电容：阻断直流分量，仅允许交流扰动通过（如0.1μF薄膜电容）。
   • 电阻分压器（可选）：若电源输出电压较高，需分压以匹配示波器输入范围。
2. 连接方式：
   • 注入点选择：
     将注入变压器次级侧通过隔直电容连接至电源的误差放大器反馈节点（通常为V_FB引脚，连接至反馈电阻分压网络的中点）。
     示例：若电源反馈电阻为R1（上）和R2（下），则注入点为R1与R2的连接点。
   • 信号路径：
     • 信号发生器 → 注入变压器初级 → 次级 → 隔直电容 → V_FB节点。
     • 示波器通道1（CH1）连接至信号发生器输出（监测注入信号幅值）。
     • 示波器通道2（CH2）连接至电源输出端（或通过电阻分压器连接至V_FB节点，监测响应信号）。
   • 电源与负载连接：
     • 电源输入端接直流电源（如48V直流源）。
     • 电源输出端接电子负载，设置为恒流（CC）模式或恒压（CV）模式（根据测试需求）。

三、测试步骤

1. 初始设置：
   • 将电源置于稳定环境（如室温25℃），避免温度波动影响结果。
   • 设置电子负载为固定负载条件（如50%额定电流，如电源额定输出10A，则负载电流为5A）。
   • 调整信号发生器输出幅值（如100mVpp），确保扰动足够小（避免影响电源正常工作）。
2. 频率扫描：
   • 设置信号发生器为扫频模式，频率范围从10Hz到1MHz（或电源预期穿越频率的3~5倍）。
   • 示波器设置为“波特图”模式（若支持），或手动记录每个频率点的注入信号（CH1）与响应信号（CH2）的幅值和相位差。
   • 替代方案：使用示波器的FFT功能，分析响应信号的频谱，计算增益和相位。
3. 数据采集：
   • 记录每个频率点的增益（20log10(Vout/Vin)）和相位（θ=∠Vout−∠Vin）。
   • 绘制波特图（增益-频率曲线、相位-频率曲线），找到增益为0dB时的频率点，即为穿越频率 fc。

四、关键注意事项

1. 注入信号幅值：
   • 扰动幅值需足够小（通常≤1%的输出电压），避免电源进入非线性区域或触发保护电路。
   • 若电源输出电压较高（如48V），需通过电阻分压器将响应信号衰减至示波器量程内。
2. 注入点选择：
   • 必须连接至误差放大器反馈节点（V_FB），而非直接连接至输出端。直接连接输出端会绕过反馈环路，无法测量环路响应。
   • 若电源采用光耦隔离反馈，需在光耦次级侧注入信号（即隔离后的反馈路径）。
3. 隔直电容选型：
   • 电容值需足够大（如0.1μF），以确保对低频信号（如10Hz）的阻抗足够低（Z=1/(2πfC)≈160kΩ at 10Hz）。
   • 避免使用电解电容（因ESR较大），推荐使用薄膜电容或陶瓷电容。
4. 负载稳定性：
   • 测试过程中需保持负载电流稳定，避免电子负载的动态响应干扰测试结果。
   • 若需测试动态负载下的穿越频率，需使用支持高速切换的电子负载（如切换时间<10μs）。
5. 示波器设置：
   • 确保示波器带宽足够（≥信号最高频率的3倍）。
   • 使用示波器的“高分辨率模式”或平均功能，降低噪声干扰。
   • 若使用FFT分析，需设置足够的采样点数（如16kpts）和适当的窗函数（如汉宁窗）。

五、结果分析

1. 穿越频率 fc：
   在波特图中找到增益曲线与0dB线的交点对应的频率。
   示例：若增益在10kHz时为+5dB，在20kHz时为-3dB，则穿越频率约为15kHz（通过线性插值估算）。

2. 相位裕度 PM：
   在穿越频率 fc 处，测量相位与-180°的差值。
   示例：若 fc=15kHz 时相位为-135°，则相位裕度为 −135°−(−180°)=45°，满足稳定性要求。

3. 稳定性判断：

   • 若 PM≥45°，电源环路稳定。
   • 若 PM<45°，需优化补偿网络（如调整补偿电阻/电容值）。

六、优化建议

• 低温测试：
  若需测试低温环境下的穿越频率，需将电源置于恒温箱中，并确保注入变压器和隔直电容在低温下性能稳定（如选用低温特性好的电容）。
• 高温测试：
  高温环境下需加强散热，避免电源因过热导致性能下降或保护电路触发。
• 双向功能验证：
  若测试双向电源的双向功能（如从充电模式切换至放电模式），需分别测试两个方向的穿越频率，确保环路稳定性。

通过上述方法，可准确测试双向直流电源的穿越频率，为环路补偿设计提供关键数据，确保电源在各种工况下的稳定性与动态响应性能。