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

電子系統的供電電源是整個系統的重要組成部分，供電系統的性能、質量的好壞直接影響整個系統的質量與壽命，據統計，衛星上的電源系統占總質量的20%以上[1]。過去，常用來衡量電源系統性能的參數有輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、最大負載電流、額定功率、輸出電壓線性調整率、輸出電壓負載調整率、負載瞬態響應等。隨著現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在工作時出現很多不穩定現象。通過研究和統計發現，這種不穩定現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阻抗的概念，并用這一概念來解釋紋波現象，預測系統穩定性，解決負載間的相互干擾[2]。因此，電源系統阻抗作為電源的重要參數，用來研究電源系統的穩定性及預測不穩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不適用。測試輸出阻抗時需要在規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-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-直通法進行電源輸出阻抗測試。

傳統的串聯-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率分析儀的掃頻信號控制[4]。電流-電壓轉換裝置將環路中的電流轉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]。頻響分析儀或網路分析儀通過設置CH1和CH2的實際比例系數通過計算即可得到輸出阻抗。

圖1 傳統的電源輸出阻抗測試方法

傳統的電源輸出阻抗測試方法結構復雜，需要購買專用的電流注入變壓器和電流-電壓轉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-電壓轉換裝置，降低了測試難度、節約了測試成本。為實現電流注入和電流-電壓轉換，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路中的電流變化，CH1采集被測器件的輸出端信號，CH2采集環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調節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，即可實現壓控電流源的效果。采樣電阻的大小可以根據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管并聯的方式均分電流，減小單個功率管的發熱量，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圖。表1為多款電路實測結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為使用傳統方法和使用本文方法測試3種LDO電路輸出阻抗的結果對比，可以看出使用本文方法測試的電路輸出阻抗和傳統方法的測試結果誤差較小，且結構簡單，操作方便，測試成本低。

表1 阻抗實測和手冊對比

表2 本文方法與傳統方法測試阻抗的對比

圖6 阻抗測試系統搭建

圖7 RHFL4XXX阻抗實際測試結果

5 結論

本文提出了一種改進型電源輸出阻抗測試方法，結構簡單，操作方便，節約測試成本；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。