用網絡分析儀測量DC-DC轉換器的反饋環路特征

DC-DC轉換器作為現代電子系統中不可或缺的電源模塊，其穩定性與動態響應性能直接影響整個系統的可靠性。而反饋環路的設計與驗證，是確保DC-DC轉換器在各種負載和輸入條件下穩定工作的關鍵環節。本文將系統闡述如何利用網絡分析儀對DC-DC轉換器的反饋環路特征進行精確測量，涵蓋基本原理、測量方法、配置示例及實際操作中的關鍵注意事項。

圖 1. DC-DC 轉換器的基本工作原理

在深入測量方法之前，需理解DC-DC轉換器的基本工作原理。以典型的降壓型（Buck）轉換器為例，其通過MOSFET開關將輸入電壓斬波為脈沖信號，再經由LC濾波器平滑為穩定的直流輸出電壓。反饋環路通過電阻分壓網絡采樣輸出電壓，并與參考電壓（Vref）進行比較，誤差放大器根據偏差調整脈寬調制器（PWM）的占空比，從而實現閉環控制。這一系統可建模為負反饋控制系統，其穩定性由環路增益（GH）的頻率響應決定。

圖 2. DC-DC 轉換器原理圖示例

環路增益是衡量反饋系統性能的核心指標，定義為開環傳遞函數G與反饋系數H的乘積。當環路增益|GH|=1（即0 dB）時的頻率稱為交叉頻率，決定了系統的帶寬；而在此頻率處，相位與-180°的差值即為相位裕量，是評估系統穩定性的關鍵參數。一般要求相位裕量在45°以上，以避免因相位延遲累積至-360°而引發振蕩。此外，增益裕量（即相位為0°時增益與0 dB的差值）同樣重要，二者共同構成了環路穩定性判據。

圖 3. 負反饋環路控制系統

使用網絡分析儀測量環路增益，本質上是通過注入小信號擾動，測量閉環系統中某點的響應比值。具體方法是在反饋路徑中（通常在分壓電阻之前）串聯一個由變壓器和電阻組成的浮置激勵施加電路，向環路注入交流信號。網絡分析儀的接收機端口R和T分別連接在注入點兩側，測量其電壓比值T/R，即可得到循環傳遞函數–GH的幅頻與相頻特性。

圖 4. 負反饋控制系統的環路增益測量方法

以E5061B-3L5 LF-RF網絡分析儀為例，其增益相位測試端口支持5 Hz至30 MHz頻率范圍，具備1 MΩ高阻輸入模式，非常適合此類測量。實際配置中，需選擇合適的注入變壓器（如Picotest J2100A或自制脈沖變壓器），并串聯一個阻值遠小于輸入阻抗Zin但遠大于輸出阻抗Zout的電阻R（通常為20–100 Ω），以滿足Zin >> R >> Zout的條件，確保注入信號不影響原環路工作點。

測量過程中，激勵信號的功率設置尤為關鍵。若信號過強，會驅動環路進入非線性區，導致測量失真；若過弱，則在低頻段因環路增益高而信噪比不足。推薦采用分段掃描策略：在低頻段（如100 Hz–1 kHz）設置較高功率（如-10 dBm至-20 dBm），隨頻率升高逐步降低功率（如至-35 dBm），以在整個頻段內保持良好的信噪比與線性度。同時，應使用同軸電纜直接連接測試點，避免使用10:1無源探頭，以防地環路干擾影響浮置測量的準確性。

校準是保證測量精度的前提。可將R與T端口的探頭短接于注入點（TP1），執行直通響應校準，消除電纜與連接器帶來的幅相誤差。測量結果中，若在截止頻率附近出現尖峰，通常源于轉換器自身的開關噪聲，屬正?，F象。通過游標讀取交叉頻率處的相位值，即可獲得相位裕量，進而判斷環路是否具備足夠的穩定裕度。

綜上所述，利用網絡分析儀對DC-DC轉換器反饋環路進行頻域測量，是驗證控制環路設計有效性、優化補償網絡參數的重要手段。通過合理配置測量系統、精細調節激勵電平并正確解讀數據，工程師能夠精準評估電源系統的動態性能，確保其在復雜工況下穩定可靠運行。