电源提示：连接线如何影响波特图测量

波特图测量对于系统稳定性和瞬态响应优化至关重要。这篇文章描述了连接线如何影响波特图测量以及提高测量精度的方法。

图 1显示了一个典型的波特图测量设置，其中控制回路断开并插入了一个小电阻。频率分析仪有一个在这个小电阻上注入交流干扰 ṽds的源。此设置通常还包括一个隔离适配器。

图1：典型的波特图测量设置

AC 波动发生在跨越断点的两个节点 A 和 B。频率分析仪有两个接收器来测量节点 A 和 B 处的信号 ṽA和 ṽB。您可以使用公式 1 计算系统环路增益 TV：

(1)

等式 2 和 3 分别计算节点 A 和 B 处的电压：

(2)

(3)

连接线如何以及为何影响波特图测量

在实际设置中，您必须将连接线焊接到小电阻的两端，并将干扰注入和信号测量电缆连接到导线的另一端。图 2 显示了更准确的实际测试设置框图。

图2：使用一对连接线的波特图设置

信号接收器 A 和 B 不仅测量 ṽA和 ṽB，还测量导线上的电压降 ṽdrop。等式 4 和 5 计算测量信号 ṽ'A和 ṽ'B：

(4)

(5)

其中 Xds 是断点之间的阻抗，XL是共享线的阻抗。Xds 通常由插入在 A 点和 B 点之间的电阻控制。

因此，测得的环路增益 TV_measure受导线 XL的阻抗影响，如公式 6 所示：

(6)

在低频时，当 |TV|>> |Xds/XL|，公式 7 可以近似 |TV_measure|：

(7)

在高频下，当 |TV| 1，公式 8 可以近似 |T V_measure |：

(8)

当 |XL|与 |Xds| 相当，TV_measure与 TV有很大不同。由于设计人员依靠波特图来优化稳定性和负载瞬态响应，因此这种测量误差会极大地影响系统的最终性能。

图 3 显示 |XL|（不同长度和规格的电线的阻抗），两根电线的距离为 1 英寸。

图3：不同长度和规格的导线阻抗

推荐解决方案

为了最大程度地减少测量误差，最佳做法是添加一对单独的导线仅用于测量，如图 4 所示。这种方法将导线两端的电压降排除在测量之外。

图4：推荐的频率分析仪接线

为了验证这个概念，我首先将使用两对连接线测量的波特图（如图 4 所示）与一对短连接线进行了比较。图 5 显示了比较。两个波特图具有相同的交叉频率，并且都有超过 10dB 的增益裕度。

图 5：图 4 所示设置和短连接线设置的波特图

图 6 显示了被测转换器的瞬态响应。该响应对应于一个稳定的系统。

图6：被测转换器的瞬态响应（负载阶跃为 5A，紫色 - V OUT；粉红色 - 负载阶跃）

图 7 比较了用一对 6 英寸长的美国线规 (AWG) 30 线和两对同样 6 英寸长的 AWG 30 线测量的波特图。使用一对连接线测量的波特图（也如图 2 所示）具有小于 8dB 的增益裕度。在这个例子中，工程师对稳定性有严格的要求，需要超过 10dB 的增益裕度。基于错误的测量，工程师可能不得不牺牲控制带宽和瞬态响应来弥补增益裕度。这不是一个理想的情况。

图7：波特图测量与图 2 和图 4 所示设置的比较

隔离工具箱限制

某些频率分析仪可能带有一个隔离工具箱，可将接收器 A 和 B 预连接到隔离器的输出，如图 8 所示。该工具箱旨在减少连接线数。但是，这样做会迫使两个接收器包含连接线上的电压降。图 3 显示了一根 3 英尺 AWG 16 线的阻抗。在 1 MHz 附近，阻抗迅速增加到 10Ω 以上。

图8：工具箱连接示例

图 9 比较了使用工具箱测量的波特图和使用两对电线测量的两条 3 英尺 AWG 16 电缆。使用工具箱测量的波特图的增益裕度小于 6dB，这错误地表明了边际稳定性。

图9：使用工具箱测量的波特图与图 4 所示设置的比较

隔离工具箱是一个方便的工具。但是，高频连接线的阻抗对波特图测量的影响太大。这种误导性的波特图会阻碍改善瞬态响应的过程。使用工具箱时，应始终使用最短长度的电缆。对于具有高控制带宽的系统，我不推荐使用工具箱。

在这篇文章中，我展示了连接线如何以及为什么会影响波特图测量。最好的方法是在断点处添加一对单独的连接线，仅用于测量。在添加一对单独的连接线不可行的应用中，使连接线尽可能短。