CN117031185A - 一种环路频率响应测试电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种环路频率响应测试电路，其包括一个示波器，所述示波器具有波源接口、第一输入接口和第二输入接口，所述示波器的第一输入接口与所述被测环路的输出端连接，所述示波器的第二输入接口与所述被测环路的反馈输入端连接，并且所述示波器的波源接口通过波纹注入模块连接所述示波器的第二输入接口，所述波纹注入模块包括隔离耦合器件。本发明的环路频率响应测试电路采用隔离耦合器件，通过电容隔离耦合的方式注入激励信号到环路中，其成本较低，并且能够轻易实现较宽的带宽和易于制作测试电路和搭建测试环境。

Description

一种环路频率响应测试电路
技术领域
本发明涉及一种环路频率响应测试电路。
背景技术
众所周知，在电器工程反馈环路控制系统中其频率响应特性曲线又称作波特图，是设计环路的重要一环，反馈系统的增益裕度（gain margin）及相位裕度(Phase margin)，确定了系统的稳定性，而测试环路是验证或分析所设计环路的一种重要手段，传统测试环路当下是使用变压器隔离把激励信号注入到环路中，测试电路制作相对复杂且成本较高，并且变压器难以实现宽带宽。
发明内容
本发明旨在提供一种环路频率响应测试电路，其通过电容隔离耦合的方式注入激励信号到环路中，其成本较低，并且能够轻易实现较宽的带宽和易于制作测试电路和搭建测试环境。
为了实现上述目的，本发明提供一种环路频率响应测试电路，其用于测试一个被测环路，所述被测环路具有输出端和反馈输入端，所述环路频率响应测试电路包括一个示波器，所述示波器具有波源接口、第一输入接口和第二输入接口，所述示波器的第一输入接口与所述被测环路的输出端连接，所述示波器的第二输入接口与所述被测环路的反馈输入端连接，并且所述示波器的波源接口通过波纹注入模块连接所述示波器的第二输入接口，所述波纹注入模块包括隔离耦合电容。
所述被测环路还包括一个反馈网络，所述第二输入接口通过该反馈网络与所述被测环路的反馈输入端连接。
该反馈网络的高压侧连接所述示波器的第二输入接口并通过一隔离电阻连接所述被测环路的输出端，该反馈网络的低压侧接地，且该反馈网络的分压侧连接所述被测环路的反馈输入端。
所述反馈网络由彼此串联的第一反馈电阻和第二反馈电阻组成，第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点为反馈网络的分压侧，第一反馈电阻的连接点以外的一端为反馈网络的高压侧，第二反馈电阻的连接点以外的一端为反馈网络的低压侧。
所述隔离电阻的电阻值在5.1Ω~51Ω之间，并且小于第一反馈电阻的1%。
所述隔离耦合电容的电容值在47μF到1000μF之间。
所述波纹注入模块还包括高通滤波电路，所述高通滤波电路包括彼此串联的第一滤波电容和第一滤波电阻以及彼此串联的第二滤波电容和第二滤波电阻。
所述第一滤波电容为1nF，第一滤波电阻为100Ω，第二滤波电容为1nF，第二滤波电阻为1Ω。
所述波纹注入模块还包括高通滤波电路，所述高通滤波电路包括彼此串联的第一滤波电容和第一滤波电阻以及彼此串联的第二滤波电容和第二滤波电阻；
被测环路的带宽为：
，
其中，//表示并联计算，s为中间参数，s=jω，j为虚数符号，ω为角频率，ω=2πf，f为频率，C1是第一滤波电容，C2是第二滤波电容，R1是第一滤波电阻，R2是第二滤波电阻，RIN是隔离电阻，Ccouple是隔离耦合电容。
本发明的环路频率响应测试电路采用隔离耦合电容，通过电容隔离耦合的方式注入激励信号到环路中，其成本较低，并且能够轻易实现较宽的带宽和易于制作测试电路和搭建测试环境。
附图说明
图1是现有的一种环路频率响应测试电路的电路图。
图2是根据本发明的一个实施例的一种环路频率响应测试电路的电路图。
图3是示波器所采集的来自第一节点和来自第二节点的信号的波形图。
图4是本发明的环路频率响应测试电路所得到的增益随频率的变化示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图2是根据本发明的一个实施例的一种环路频率响应测试电路的电路图。如图2所示，本发明的环路频率响应测试电路用于测试一个被测环路100。
被测环路100具有输出端VOUT和反馈输入端FB。在本发明中，被测环路100必须是一个非线性时变系统，它满足其输出端VOUT的输出不与其反馈输入端FB的输入成正比的特点，同时，当系统中某个参数值随时间而变化时，整个特性也随时间而变化。非线性时变系统的主要表示方式有状态方程和结构图，它的主要特征有能控性、能观性和稳定性分析，其中稳定性分析即为本专利涉及到的频率响应分析。具体的非线性时变系统包括各类DC-DC转换器，运算放大器等。
在本实施例中，被测环路100为被测的buck拓扑电路，即buck降压转换器。因此，被测环路100还具有电源输入端VIN，电源输入端VIN输入一个直流电压，通过被测环路100降压稳压到一个输出端VOUT的电压；被测环路100包括与反馈输入端FB依次连接的误差放大器和控制器，通过栅极与控制器连接的高侧MOS管和低侧MOS管，高侧MOS管与电源输入端VIN的连接点处设有一个接地的输入电容CIN，高侧MOS管的远离电源输入端VIN的一端为开关节点SW，该开关节点SW与低通滤波器连接，低通滤波器由储能电感L和输出电容CO组成，低通滤波器的输出端是被测环路100的输出端VOUT。储能电感L、输入电容CIN、和输出电容CO是buck拓扑电路的外围电路，起到滤波效果。由此，被测环路100的反馈输入端FB依次连接误差放大器和控制器，以通过控制器控制两个开关MOS管的导通和关闭，高侧MOS管导通时电源输入端VIN的电压经过高侧MOS管对储能电感L储能同时对输出电容CO充电，高侧MOS管关闭低侧MOS管导通时，储能电感L通过低侧MOS管续流，输出端VOUT的电压=高侧MOS管的导通占空比×电源输入端VIN的电压。本实施例中，两个MOS管都为NMOS管，但不代表其他实施例中也只能用NMOS管。
被测环路100可能是一个电源芯片，但不局限于buck拓扑电路，其他的非线性时变系统也需要对自身进行频率响应分析的测量。
如图2所示，本发明的环路频率响应测试电路包括一个示波器1，所述示波器1具有波源接口wavegen、第一输入接口CH1和第二输入接口CH2。其中，所述示波器1的第一输入接口CH1与所述被测环路100的输出端VOUT（即第一节点T1）连接，所述示波器1的第二输入接口CH2与所述被测环路100的反馈输入端FB连接，并且所述示波器1的波源接口wavegen通过波纹注入模块2连接所述示波器1的第二输入接口CH2。
示波器的波源接口wavegen的作用是提供正弦波波源。由此，本发明的环路频率响应测试电路通过示波器中波形发生器经由波源接口wavegen发出特定幅度的正弦波，正弦波的波形频率能够从低频扫到高频，即能够输出不同频率的正弦波。随后，正弦波通过波纹注入模块2后注入到被测环路中，再由CH2和CH1分别采集被测环路100的输入信号和输出端VOUT处的输出信号到示波器1中进行分析计算，从而得出其增益和相位曲线。
在本实施例中，被测环路100还包括一个反馈网络101，所述示波器1的第二输入接口CH2通过该反馈网络101与所述被测环路100的反馈输入端FB连接，以通过反馈网络101向反馈输入端FB注入信号。该反馈网络101的高压侧（即第二节点T2）连接所述示波器1的第二输入接口CH2并通过一隔离电阻RIN连接所述被测环路100的输出端VOUT，该反馈网络101的低压侧接地，且该反馈网络101的分压侧连接所述被测环路100的反馈输入端FB。
反馈网络101由彼此串联的第一反馈电阻RFBU和第二反馈电阻RFBD组成，因此其第一反馈电阻RFBU和第二反馈电阻RFBD的连接点为反馈网络101的分压侧，第一反馈电阻RFBU的另一端为反馈网络101的高压侧（即第二节点T2），第二反馈电阻RFBD的连接点以外的一端为反馈网络101的低压侧。此外，所述反馈网络101还包括连接于其高压侧（即第二节点T2）和分压侧之间的一前馈电容CFF，前馈电容CFF是buck拓扑电路中常见的前馈电容(feedforward)，起到提高buck拓扑电路响应速度的作用。
其中，隔离电阻RIN的作用是辅助示波器1的波源接口注入的信号，起到隔离被测环路100的输出端VOUT（即第一节点T1）和反馈网络101的高压侧（即第二节点T2）的作用。隔离电阻RIN需要远小于第一反馈电阻RFBU，同时不能过小，超出波源接口注入的信号的负载能力。优选地，所述隔离电阻RIN的电阻值在5.1Ω~51Ω之间，并且小于第一反馈电阻的1%，以避免因纹波注入需要影响了原有环路参数。
由此，被测环路100与反馈网络101可以看作一个负反馈系统，反馈网络101的第一反馈电阻RFBU在未进行测试的正常情况下，一端连接到被测环路100的输出端VOUT，另一端连接到被测环路的反馈输入端FB，把输出端VOUT的信号分压后得到的信号反馈到反馈输入端FB上，形成环路，使输出端VOUT输出一个稳定的电压。而本发明为了测试被测环路100，通过增加一个远小于反馈电阻RFBU的隔离电阻RIN，放到输出端VOUT和第一反馈电阻RFBU之间，使得示波器1把其波源接口的信号注入到隔离电阻RIN和第一反馈电阻RFBU之间的第二节点T2上，从而使得反馈至反馈输入端FB的信号与被测环路100的输出端VOUT直接输出的信号区分开。
如图1所示，现有的一种环路频率响应测试电路中，隔离耦合器件可以是隔离变压器等等，在采用隔离变压器时，隔离变压器的同一侧的一端连接示波器的第一输入接口CH1且另一端连接第二输入接口CH2。
再请参见图2，在本实施例中，波纹注入模块2包括串联的隔离耦合电容Ccouple和高通滤波电路。高通滤波电路包括彼此串联的第一滤波电容C1和第一滤波电阻R1以及彼此串联的第二滤波电容C2和第二滤波电阻R2。第一滤波电容C1和第二滤波电容C2接地，第一滤波电阻R1和第二滤波电阻R2均与第二输入接口CH2电连接。
因为是向反馈网络中注入一个正弦波波动信号，来观察输出端VOUT的响应，而注入的这个信号，不能是直流（DC）的，如果是直流的将会影响到反馈网络的直流电压值，从而失去测量意义。因此，隔离耦合器件是为了把一个波动的信号耦合到反馈信号上，和反馈信号叠加。高通滤波电路是用于防止测试环境中的高频噪声信号通过测试线缆干扰到测试电路。
隔离耦合电容Ccouple的电容越大，耦合低频信号越小，具体需求可以根据被测环路100来确定。隔离耦合电容Ccouple一般选择47μF到1000μF之间。隔离耦合电容Ccouple选择一个较大的值可以覆盖更多的被测器件，根据低频的需求可以以以下公式计算：
，
其中，RIN为隔离电阻的阻值，Ccouple为隔离耦合电容的电容值，f为频率。
在本实施例中，第一滤波电容C1约为1nF，第一滤波电阻R1约为100Ω，第二滤波电容C2约为1nF，第二滤波电阻R2约为1Ω，以针对10MHz以上频率进行滤波。
图3示出了示波器1所采集的来自第一节点T1和来自第二节点T2的信号的波形，第一节点T1的信号是示波器1的第一输入接口CH1采集的信号，第二节点T2的信号是示波器1的第二输入接口CH2采集的信号。从图3中的波形可以计算出被测环路100的增益和相位。
其中，被测环路100的增益Gain为：20log(VT1max/VT2 max)，
其中，VT1max、VT2 max分别是第一输入接口CH1、第二输入接口CH2采集的信号的峰值。
图4是本发明的环路频率响应测试电路所得到的增益随频率的变化示意图。从图4中可以看出，被测环路的带宽可以从10Hz到20MHz，使得增益大于-3db。
被测环路100的相位为：△Φ=（ωt+ΦT1）-（ωt+ΦT2）,
其中，t是时刻，ω是角频率，ΦT1、ΦT2分别是第一输入接口CH1、第二输入接口CH2的相位。在注入不同频率纹波的时候，ΦT1和ΦT2为同一时刻的相位差，比如在第一输入接口CH1完成一个周期360°的时候记录第二输入接口CH2的相位。
在本发明中，被测环路100的带宽的计算公式如下：
，
其中，“//”代表并联计算，并联计算的计算公式为R1// R2=R1×R2/(R1+R2)，s为中间参数，s=jω，j为虚数符号，ω为角频率，ω=2πf，f为频率，C1是第一滤波电容，C2是第二滤波电容，R1是第一滤波电阻，R2是第二滤波电阻，RIN是隔离电阻，Ccouple是隔离耦合电容。
电容阻抗的计算公式为：，而变压器阻抗的计算公式为，可以看出电容在频率越高时，阻抗越小，而变压器频率越高时阻抗越大，对 于高频信号呈现阻断状态。因此本发明的测试电路采用隔离耦合电容Ccouple作为隔离耦 合器件，能够评估更高的频率，因此成本较低，并且能够轻易实现较宽的带宽和易于制作测 试电路和搭建测试环境。本发明的测试电路的带宽具体取值在10Hz~10MHz之间。
在其他实施例中，高通滤波电路可以根据需要省略。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书和说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽叙述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种环路频率响应测试电路，其用于测试一个被测环路，所述被测环路具有输出端和反馈输入端，其特征在于，所述环路频率响应测试电路包括一个示波器，所述示波器具有波源接口、第一输入接口和第二输入接口，所述示波器的第一输入接口与所述被测环路的输出端连接，所述示波器的第二输入接口与所述被测环路的反馈输入端连接，并且所述示波器的波源接口通过波纹注入模块连接所述示波器的第二输入接口，所述波纹注入模块包括隔离耦合电容。
2.根据权利要求1所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，所述被测环路还包括一个反馈网络，所述第二输入接口通过该反馈网络与所述被测环路的反馈输入端连接。
3.根据权利要求2所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，该反馈网络的高压侧连接所述示波器的第二输入接口并通过一隔离电阻连接所述被测环路的输出端，该反馈网络的低压侧接地，且该反馈网络的分压侧连接所述被测环路的反馈输入端。
4.根据权利要求3所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，所述反馈网络由彼此串联的第一反馈电阻和第二反馈电阻组成，第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点为反馈网络的分压侧，第一反馈电阻的连接点以外的一端为反馈网络的高压侧，第二反馈电阻的连接点以外的一端为反馈网络的低压侧。
5.根据权利要求4所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，所述隔离电阻的电阻值在5.1Ω~51Ω之间，并且小于第一反馈电阻的1%。
6.根据权利要求1所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，所述隔离耦合电容的电容值在47μF到1000μF之间。
7.根据权利要求1所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，所述波纹注入模块还包括高通滤波电路，所述高通滤波电路包括彼此串联的第一滤波电容和第一滤波电阻以及彼此串联的第二滤波电容和第二滤波电阻。
8.根据权利要求7所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，所述第一滤波电容为1nF，第一滤波电阻为100Ω，第二滤波电容为1nF，第二滤波电阻为1Ω。
9.根据权利要求3所述的环路频率响应测试电路，其特征在于，所述波纹注入模块还包括高通滤波电路，所述高通滤波电路包括彼此串联的第一滤波电容和第一滤波电阻以及彼此串联的第二滤波电容和第二滤波电阻；
被测环路的带宽为：
，
其中，//表示并联计算，s为中间参数，s=jω，j为虚数符号，ω为角频率，ω=2πf，f为频率，C1是第一滤波电容，C2是第二滤波电容，R1是第一滤波电阻，R2是第二滤波电阻，RIN是隔离电阻，Ccouple是隔离耦合电容。
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