用网络分析仪测量DC-DC转换器的反馈环路特征

DC-DC转换器作为现代电子系统中不可或缺的电源模块，其稳定性与动态响应性能直接影响整个系统的可靠性。而反馈环路的设计与验证，是确保DC-DC转换器在各种负载和输入条件下稳定工作的关键环节。本文将系统阐述如何利用网络分析仪对DC-DC转换器的反馈环路特征进行精确测量，涵盖基本原理、测量方法、配置示例及实际操作中的关键注意事项。

图 1. DC-DC 转换器的基本工作原理

在深入测量方法之前，需理解DC-DC转换器的基本工作原理。以典型的降压型（Buck）转换器为例，其通过MOSFET开关将输入电压斩波为脉冲信号，再经由LC滤波器平滑为稳定的直流输出电压。反馈环路通过电阻分压网络采样输出电压，并与参考电压（Vref）进行比较，误差放大器根据偏差调整脉宽调制器（PWM）的占空比，从而实现闭环控制。这一系统可建模为负反馈控制系统，其稳定性由环路增益（GH）的频率响应决定。

图 2. DC-DC 转换器原理图示例

环路增益是衡量反馈系统性能的核心指标，定义为开环传递函数G与反馈系数H的乘积。当环路增益|GH|=1（即0 dB）时的频率称为交叉频率，决定了系统的带宽；而在此频率处，相位与-180°的差值即为相位裕量，是评估系统稳定性的关键参数。一般要求相位裕量在45°以上，以避免因相位延迟累积至-360°而引发振荡。此外，增益裕量（即相位为0°时增益与0 dB的差值）同样重要，二者共同构成了环路稳定性判据。

图 3. 负反馈环路控制系统

使用网络分析仪测量环路增益，本质上是通过注入小信号扰动，测量闭环系统中某点的响应比值。具体方法是在反馈路径中（通常在分压电阻之前）串联一个由变压器和电阻组成的浮置激励施加电路，向环路注入交流信号。网络分析仪的接收机端口R和T分别连接在注入点两侧，测量其电压比值T/R，即可得到循环传递函数–GH的幅频与相频特性。

图 4. 负反馈控制系统的环路增益测量方法

以E5061B-3L5 LF-RF网络分析仪为例，其增益相位测试端口支持5 Hz至30 MHz频率范围，具备1 MΩ高阻输入模式，非常适合此类测量。实际配置中，需选择合适的注入变压器（如Picotest J2100A或自制脉冲变压器），并串联一个阻值远小于输入阻抗Zin但远大于输出阻抗Zout的电阻R（通常为20–100 Ω），以满足Zin >> R >> Zout的条件，确保注入信号不影响原环路工作点。

测量过程中，激励信号的功率设置尤为关键。若信号过强，会驱动环路进入非线性区，导致测量失真；若过弱，则在低频段因环路增益高而信噪比不足。推荐采用分段扫描策略：在低频段（如100 Hz–1 kHz）设置较高功率（如-10 dBm至-20 dBm），随频率升高逐步降低功率（如至-35 dBm），以在整个频段内保持良好的信噪比与线性度。同时，应使用同轴电缆直接连接测试点，避免使用10:1无源探头，以防地环路干扰影响浮置测量的准确性。

校准是保证测量精度的前提。可将R与T端口的探头短接于注入点（TP1），执行直通响应校准，消除电缆与连接器带来的幅相误差。测量结果中，若在截止频率附近出现尖峰，通常源于转换器自身的开关噪声，属正常现象。通过游标读取交叉频率处的相位值，即可获得相位裕量，进而判断环路是否具备足够的稳定裕度。

综上所述，利用网络分析仪对DC-DC转换器反馈环路进行频域测量，是验证控制环路设计有效性、优化补偿网络参数的重要手段。通过合理配置测量系统、精细调节激励电平并正确解读数据，工程师能够精准评估电源系统的动态性能，确保其在复杂工况下稳定可靠运行。