基于頻率響應分析儀的電源阻抗測試*

高 寧，常 紅，葛興杰，肖培磊

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

電子系統(tǒng)的供電電源是整個系統(tǒng)的重要組成部分，供電系統(tǒng)的性能、質(zhì)量的好壞直接影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量與壽命，據(jù)統(tǒng)計，衛(wèi)星上的電源系統(tǒng)占總質(zhì)量的20%以上[1]。過去，常用來衡量電源系統(tǒng)性能的參數(shù)有輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、最大負載電流、額定功率、輸出電壓線性調(diào)整率、輸出電壓負載調(diào)整率、負載瞬態(tài)響應等。隨著現(xiàn)代電子設備電壓標準越來越低，非線性負載、恒功率負載和高頻電流負載的廣泛使用，特別是在分布式的電源系統(tǒng)中，電源和負載之間以及不同負載之間的影響變得越來越明顯。這種影響會導致整個供電系統(tǒng)在工作時出現(xiàn)很多不穩(wěn)定現(xiàn)象。通過研究和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，這種不穩(wěn)定現(xiàn)象與電源的輸出阻抗以及負載輸入阻抗有重要的關系，所以學術界提出了電源系統(tǒng)阻抗的概念，并用這一概念來解釋紋波現(xiàn)象，預測系統(tǒng)穩(wěn)定性，解決負載間的相互干擾[2]。因此，電源系統(tǒng)阻抗作為電源的重要參數(shù)，用來研究電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性及預測不穩(wěn)定因素越來越受到人們的重視[3]。

電源輸入輸出阻抗一般較小，基本都是幾毫歐到幾十毫歐量級，一般測試阻抗的手段對于電源阻抗來說已經(jīng)不適用。測試輸出阻抗時需要在規(guī)定的電流負載條件下完成，當負載電流較小時，電流變化引起的端口電壓變化非常小，因此需要使用特殊的電流注入器配合頻率響應分析儀或網(wǎng)絡分析儀測試電源阻抗。

2 電源輸出阻抗的測試方法

目前電源輸出阻抗測試主要是基于網(wǎng)絡分析儀/頻響分析儀進行的，測試方法主要有以下3種：（1）串聯(lián)-直通法；（2）反射法；（3）分流-直通法。由于反射法和分流-直通法結(jié)構復雜，測試成本較高，且低頻段測試誤差較大，目前多采用串聯(lián)-直通法進行電源輸出阻抗測試。

傳統(tǒng)的串聯(lián)-直通法測試輸出阻抗原理圖如圖1所示。該方法的思路是電壓-電流檢測方法，通過電流注入變壓器在測試環(huán)路中注入受電壓控制的電流，電流的大小、頻率由頻率響應分析儀或是網(wǎng)率分析儀的掃頻信號控制[4]。電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置將環(huán)路中的電流轉(zhuǎn)化成電壓信號作為頻率響應分析儀CH1的輸入，被測器件輸出端的電壓作為頻率響應分析儀CH2的輸入[5]。頻響分析儀或網(wǎng)路分析儀通過設置CH1和CH2的實際比例系數(shù)通過計算即可得到輸出阻抗。

圖1 傳統(tǒng)的電源輸出阻抗測試方法

傳統(tǒng)的電源輸出阻抗測試方法結(jié)構復雜，需要購買專用的電流注入變壓器和電流-電壓轉(zhuǎn)換探頭來配合頻響分析儀試用，測試成本較高。

3 改進的輸出阻抗測試方法

3.1 壓控電流源的設計

改進的電源輸出阻抗測試方法省略了電流注入變壓器和電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置，降低了測試難度、節(jié)約了測試成本。為實現(xiàn)電流注入和電流-電壓轉(zhuǎn)換，設計了一種壓控電流源[6]。頻響分析儀的掃頻信號通過壓控電流源控制測試環(huán)路中的電流變化，CH1采集被測器件的輸出端信號，CH2采集環(huán)路中采樣電阻兩端的電壓信號，通過設置頻響分析儀的電流采樣比例，計算即可得到輸出阻抗。圖2為改進的輸出阻抗測試方法。

圖2 改進的電源輸出阻抗測試方法

為實現(xiàn)圖2中的阻抗測試，必須設計一種受電壓控制的電流源（負載）。圖3為一款適配頻響分析儀和網(wǎng)絡分析儀的壓控電流源電路。

圖3 壓控電流源原理圖

該電路的工作原理是通過運放閉環(huán)調(diào)節(jié)P1點的電壓跟隨運放正輸入端的電壓VIN+，則電路工作時有：

由式（1）和式（2）可以得到：

因此該電路可以實現(xiàn)壓控電流源的功能。圖4為壓控電流源電路的仿真波形，可以看到VP1電壓跟隨VIN+，和設計目標符合。測試時VOUT端口連接被測器件的輸出端，即可實現(xiàn)壓控電流源的效果。采樣電阻的大小可以根據(jù)測試要求的電流大小、被測器件的輸出阻抗等條件，考慮到運放失調(diào)電壓，選取電阻在滿足負載電流的條件下要使P1點的電壓在運放工作電壓的50%左右。同時要兼顧測試頻率，使電壓的變化率不要超出運放的擺率范圍[7]。

圖4 壓控電流源仿真波形

3.2 器件選型和PCB設計

運放的選擇要考慮工作電壓范圍、增益帶寬積、擺率等因素。功率管選擇NMOS功率管，選型要考慮工作電壓范圍、工作電流和封裝散熱等因素[8]。采樣電阻要根據(jù)測試的電流選擇阻值和功率，電阻精度要高，因為電阻的精度直接影響阻抗測量的精度。

本方案選擇運放的型號為LM7321，增益帶寬積20 MHz，壓擺率18 V/μs。該運放為無限容性負載運算放大器，輸出電流+60 mA/-100 mA，可以驅(qū)動容性負載，避免由于功率MOS管柵電容過大引起電路震蕩。帶寬和擺率滿足目前阻抗測試要求。功率MOS管選擇IRLZ44NS，該功率管VDS=55 V，RDS(on)=22 mΩ，ID=47 A，封裝為D2PAK。該封裝帶有大面積熱沉，焊接到PCB板或是接散熱板，可以很好地散熱。

PCB設計主要考慮功率管散熱問題，本設計選擇2個功率MOS管并聯(lián)的方式均分電流，減小單個功率管的發(fā)熱量，PCB板采用雙面鋪銅，便于功率管散熱。圖5為壓控電流源電路PCB設計圖。

圖5 壓控電流源PCB設計

4 實際測試結(jié)果

使用Venable頻率響應分析儀配合自制的壓控電流源測試多款LDO電路。圖6為搭建的阻抗測試系統(tǒng)圖。表1為多款電路實測結(jié)果和手冊典型值的對比。實際測試值和手冊典型值接近。圖7為RHFL4XXX實際測試結(jié)果，電路手冊中輸出阻抗典型值在20 kHz時為100 mΩ，可以看出輸出阻抗隨頻率增大而增大，在20 kHz測試值為96 mΩ，實際測試值與手冊典型值非常接近。通過多款樣品電路的測試，說明該方法阻抗實際測試值與樣品典型值接近，具有較高的測試精度。表2為使用傳統(tǒng)方法和使用本文方法測試3種LDO電路輸出阻抗的結(jié)果對比，可以看出使用本文方法測試的電路輸出阻抗和傳統(tǒng)方法的測試結(jié)果誤差較小，且結(jié)構簡單，操作方便，測試成本低。

表1 阻抗實測和手冊對比

表2 本文方法與傳統(tǒng)方法測試阻抗的對比

圖6 阻抗測試系統(tǒng)搭建

圖7 RHFL4XXX阻抗實際測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出了一種改進型電源輸出阻抗測試方法，結(jié)構簡單，操作方便，節(jié)約測試成本；同時設計了一種壓控電流源配合頻率響應分析儀測試電源輸出阻抗。通過仿真和實際測試結(jié)果驗證，該測試方法達到了較高的準確性和測試精度，能夠滿足對中小功率電源電路輸出阻抗測試的需求。