扫频振荡法是一种通过注入正弦波扰动信号并扫描频率来测试电源环路相位裕度的有效方法，尤其适用于双向直流电源这类需要双向功率流动且需稳定控制的场景。以下是详细步骤、关键注意事项及优化建议：
一、测试原理
相位裕度（Phase Margin, PM）是电源环路增益 T(jω) 在穿越频率 fc（增益为0dB时的频率）处，相位与-180°的差值。扫频振荡法通过向电源反馈环路注入小信号正弦波扰动，测量不同频率下环路对扰动的响应，进而绘制波特图（增益-频率、相位-频率曲线），最终确定相位裕度。
二、测试设备与连接
1. 设备清单
- 双向直流电源：待测电源（如输入/输出电压范围±48V，额定功率1kW）。
- 电子负载：可编程直流电子负载，支持恒流（CC）或恒压（CV）模式，用于设置负载条件。
- 信号发生器：产生低幅值正弦波扰动（如50mVpp~200mVpp），频率范围覆盖预期穿越频率（如10Hz~1MHz）。
- 示波器：带宽≥100MHz，支持双通道输入，具备FFT分析或波特图测量功能（如R&S RTO、Tektronix MSO系列）。
- 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（可选，若电源无隔离反馈可省略）。
- 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：若电源输出电压较高，需分压以匹配示波器输入范围（如10:1分压比）。
2. 连接方式
- 注入点选择：
将信号发生器输出通过隔直电容连接至电源的误差放大器反馈节点（V_FB引脚，即反馈电阻分压网络的中点）。
示例：若反馈电阻为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 → 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 Vin）。
- 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 Vout）。
- 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
- 环境条件：将电源置于稳定环境（如室温25℃），避免温度波动影响结果。
- 负载条件：设置电子负载为固定工况（如50%额定电流，若电源额定输出10A，则负载电流为5A）。
- 信号参数：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
- 扫频范围：设置信号发生器为对数扫频模式，频率范围从10Hz到1MHz（或电源预期穿越频率的3~5倍）。
- 步进设置：根据电源动态响应特性选择步进（如每十倍频程10点，确保关键频率点数据充足）。
- 示波器设置：
- 若示波器支持波特图功能，直接启用并连接信号。
- 若手动测量，设置示波器为“触发”模式，触发源为CH1（注入信号），采样率≥10倍最高频率（如10MS/s@1MHz）。
3. 数据采集
- 自动测量（推荐）：
使用示波器的波特图功能，自动记录每个频率点的增益（20log10(Vout/Vin)）和相位（θ=∠Vout−∠Vin）。 - 手动测量：
- 对每个频率点，用示波器测量CH1和CH2的幅值（峰峰值或有效值）和相位差（通过“光标”功能或“相位测量”选项）。
- 记录数据并绘制波特图（可使用Excel或MATLAB）。
4. 结果分析
- 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+3dB，在20kHz时为-2dB，则穿越频率约为14kHz（通过线性插值估算）。 - 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=14kHz 时相位为-140°，则相位裕度为 −140°−(−180°)=40°。
四、关键注意事项
1. 注入信号幅值
- 幅值选择：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。
示例：若电源输出电压为48V，则扰动幅值应≤0.48V（如100mVpp）。 - 幅值一致性：扫频过程中保持注入信号幅值恒定，避免因幅值变化影响增益测量。
2. 注入点选择
- 反馈节点：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。
- 隔离设计：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）。
- 电容类型：避免使用电解电容（因ESR较大），推荐薄膜电容或陶瓷电容。
4. 负载稳定性
- 静态负载：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。
- 动态负载（可选）：若需测试动态负载下的相位裕度，需使用支持高速切换的电子负载（如切换时间<10μs），并同步记录负载变化与环路响应。
5. 示波器设置
- 带宽：确保示波器带宽≥信号最高频率的3倍（如测试1MHz信号需≥3MHz带宽）。
- 采样率：设置采样率≥10倍最高频率（如10MS/s@1MHz）以避免混叠。
- 抗干扰：使用示波器的“高分辨率模式”或平均功能（如16次平均）降低噪声干扰。
- FFT分析（替代方案）：若示波器不支持波特图，可使用FFT功能分析响应信号的频谱，计算增益和相位。
五、优化建议
1. 双向功能验证
- 充电模式：测试电源从输入向输出供电时的相位裕度（如输入48V，输出24V，负载5A）。
- 放电模式：测试电源从输出向输入反馈能量时的相位裕度（如输出48V，输入24V，负载5A）。
- 切换测试：模拟电源在充电与放电模式间快速切换时的动态响应，验证环路稳定性。
2. 低温/高温测试
- 低温环境：将电源置于恒温箱中（如-20℃），测试低温对相位裕度的影响（需确保注入变压器和隔直电容在低温下性能稳定）。
- 高温环境：加强散热（如增加风扇），避免电源因过热导致性能下降或保护电路触发。
3. 补偿网络优化
- 相位裕度不足：若测试结果 PM<45°，需调整电源补偿网络（如增加补偿电阻/电容值，或改用Type III补偿器）。
- 穿越频率调整：若 fc 偏离预期范围（如过高导致噪声敏感，过低导致动态响应慢），需优化补偿网络参数。
六、示例数据记录表
分析：
- 穿越频率 fc≈14kHz（增益从-13.98dB@10kHz降至-20.00dB@20kHz，线性插值得 fc≈14kHz）。
- 相位裕度 PM=−140°−(−180°)=40°（略低于45°，需优化补偿网络）。
通过扫频振荡法，可全面评估双向直流电源在双向功率流动下的环路稳定性，为补偿网络设计提供关键数据，确保电源在各种工况下的动态响应与稳定性。
