【導讀】電源環路的增益裕量與相位裕量是判定其穩定性的核心指標，常規測量方法需在輸出節點與頂部反饋電阻間插入小電阻并施加擾動信號，但該方案的適用性受限于能否接觸到頂部反饋電阻。針對兩類特殊場景 —— 電源模塊將頂部反饋電阻內置封裝無法接觸、器件采用輸出電壓檢測引腳（VOSNS）無頂部反饋電阻，本文對比常規與新型測量方案的環路響應波特圖，提出適配性測量方法，并補充負載瞬態響應測試在環路穩定性評估中的應用，為不同架構電源的環路特性測量提供技術參考。
為使電源穩定，需要一定的增益和相位裕量。通常，電源若具有至少45°的相位裕量和至少10 dB的增益裕量，便可視為穩定。為了測量這些值，通常要在VOUT節點和頂部反饋電阻之間插入一個小電阻，然后在這個增加的電阻兩端施加一個擾動信號，并在期望的頻率范圍內測量環路響應。如果用戶能夠接觸到頂部反饋電阻，這種常規方法會很簡便，因此很常用。
但是，如果用戶無法接觸模塑模塊內的頂部反饋電阻，該如何測量環路響應？如果器件不需要頂部反饋電阻，而是使用輸出電壓檢測引腳，又該如何測量環路響應？對于這兩個問題，通過比較常規測量方法和新型測量方法的環路響應波特圖，可以給出解答。
頂部反饋電阻位于何處？
如圖1所示，測量環路響應的常規方法是在VOUT節點和頂部反饋電阻之間插入一個小值電阻。只有用戶可以接觸到頂部反饋電阻時，才能使用這種方法。
圖1.原理圖：使用LT8608測量環路響應時，需要外加電阻
圖2.示例電路：用戶無法接觸頂部反饋電阻
圖3.顯示VOSNS電路的簡化框圖
許多電源模塊的頂部反饋電阻位于電源封裝內部，無法接觸。若將頂部反饋電阻硬連線到VOUT節點，則輸出電壓絕不會超過反饋電阻分壓器設定的電壓。如果頂部反饋電阻不是硬連線，在降壓型穩壓器中，一旦該電阻連接不當或發生故障，則VOUT節點電壓可能會升高到與輸入電壓一樣高。ADI公司的許多μModule?器件都將頂部反饋電阻模塑在模塊內部，以提供額外的保護。但這樣一來，便無法用常規方法測量環路響應。圖2顯示了LTM8074及其無法接觸的頂部反饋電阻。
另一種特殊情況是模塊使用輸出電壓檢測引腳(VOSNS)來調節VOUT電壓。如圖3中的簡化框圖所示，由于該設置使用基準電流源，而不是通常的基準電壓源，因此沒有頂部反饋電阻。LTM4702使用該基準電流電路來調節輸出電壓。
負載瞬態響應還是波特圖？
如果沒有辦法測量電源的環路響應，就必須完全依靠系統的瞬態響應來確定穩定性。瞬態響應測試用于檢查在VOUT節點施加負載階躍時VOUT的電壓響應。瞬態響應示例如圖4所示。根據波形，通過測量從施加負載階躍到輸出電壓開始恢復的時間，可以估算帶寬(?BW)。控制環路的帶寬等于該恢復時間(tr)與Π乘積的倒數。在此示例中，恢復時間約為4 μs，帶寬為80 kHz。
此外，通過觀察波形的形狀也可以評估系統的穩定性。如果在波形中看到振鈴（綠色響應曲線），則表示系統具有欠阻尼響應。這意味著系統可能不穩定，相位裕量較低。但相位裕量有多低呢？
如果波形的恢復時間相當長，則可以認為系統具有過阻尼響應（藍色響應曲線）。系統輸出電壓的恢復時間可能比預期時間要長得多。由于電壓下降持續時間超過預期，下游電路可能會受到影響。
圖4.瞬態響應示例
雖然通過瞬態響應可以了解有關系統環路響應的一些信息，但確切的相位裕量和增益裕量只能通過測量來確定。
測量環路穩定性的新方法
對于使用輸出電壓檢測引腳的情形，環路響應測量與常規測量方法類似。只需在VOUT節點和VOSNS引腳之間放置一個小值電阻即可。如圖3所示，將擾動信號施加于該電阻，然后測量環路響應。
對于頂部反饋電阻位于模塊內部而無法接觸的情形，采用新型環路測量技術時需要格外小心。如圖5所示，必須安裝一個并聯電阻分壓網絡，并將擾動信號置于底部反饋電阻和地之間插入的電阻上。務必使并聯電阻分壓網絡盡可能靠近反饋電阻網絡，以盡量減少誤差。
第1步：
在R2和地之間插入20 Ω RPERT電阻。將擾動信號施加于RPERT。
第2步：
選擇R4，其值應在500 Ω至1 kΩ范圍內。見注釋1。
第3步：
計算并聯電阻分壓網絡比率。n = R2/R4。
第4步：
使用第3步中的比率n計算R3和CFF2。
第5步：
重新構建包括前饋電容和電容CM的并聯電阻分壓網絡，以消除擾動信號帶來的附加電容的影響。見注釋2。
公式：
1. n = R2/R4
2. R3 = R1/n
3. CFF2 = n × CFF1
4. CM = n × CPERT
圖5.新型環路響應測量方法
注釋1：
選擇R4，使得R2比R4大40到100倍。這樣，由R2和R3組成的電阻網絡將在反饋環路的測量中起主導作用。
注釋2：
如果無法可靠地測量擾動信號的寄生電容，可以通過迭代試驗的方式，憑借經驗確定CM電容。
圖6.常規測量方法和新型方法的波特圖比較
新型測量方法產生的環路響應與常規方法相同，如圖6所示。
總結
電源穩定性的精準評估離不開環路增益與相位裕量的直接測量，常規方法的局限性催生了適配特殊架構的新型測試方案。本文提出的新型測量方案，對于反饋電阻內置的模塑電源模塊，通過搭建并聯電阻分壓網絡并補償寄生參數，可實現與常規方法一致的測量精度；針對采用 VOSNS 引腳的器件，只需在輸出節點與檢測引腳間引入擾動電阻，即可完成環路響應測試。盡管負載瞬態響應可輔助判斷系統阻尼特性與帶寬范圍，但僅能提供定性參考，無法替代波特圖對相位裕量和增益裕量的定量分析。
