基于频率响应分析仪的电源阻抗测试*

2021-06-09葛兴杰肖培磊

电子与封装 2021年5期

高宁，常红，葛兴杰，肖培磊

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

电子系统的供电电源是整个系统的重要组成部分，供电系统的性能、质量的好坏直接影响整个系统的质量与寿命，据统计，卫星上的电源系统占总质量的20%以上[1]。过去，常用来衡量电源系统性能的参数有输入电压范围、输出电压范围、最大负载电流、额定功率、输出电压线性调整率、输出电压负载调整率、负载瞬态响应等。随着现代电子设备电压标准越来越低，非线性负载、恒功率负载和高频电流负载的广泛使用，特别是在分布式的电源系统中，电源和负载之间以及不同负载之间的影响变得越来越明显。这种影响会导致整个供电系统在工作时出现很多不稳定现象。通过研究和统计发现，这种不稳定现象与电源的输出阻抗以及负载输入阻抗有重要的关系，所以学术界提出了电源系统阻抗的概念，并用这一概念来解释纹波现象，预测系统稳定性，解决负载间的相互干扰[2]。因此，电源系统阻抗作为电源的重要参数，用来研究电源系统的稳定性及预测不稳定因素越来越受到人们的重视[3]。

电源输入输出阻抗一般较小，基本都是几毫欧到几十毫欧量级，一般测试阻抗的手段对于电源阻抗来说已经不适用。测试输出阻抗时需要在规定的电流负载条件下完成，当负载电流较小时，电流变化引起的端口电压变化非常小，因此需要使用特殊的电流注入器配合频率响应分析仪或网络分析仪测试电源阻抗。

2 电源输出阻抗的测试方法

目前电源输出阻抗测试主要是基于网络分析仪/频响分析仪进行的，测试方法主要有以下3种：（1）串联-直通法；（2）反射法；（3）分流-直通法。由于反射法和分流-直通法结构复杂，测试成本较高，且低频段测试误差较大，目前多采用串联-直通法进行电源输出阻抗测试。

传统的串联-直通法测试输出阻抗原理图如图1所示。该方法的思路是电压-电流检测方法，通过电流注入变压器在测试环路中注入受电压控制的电流，电流的大小、频率由频率响应分析仪或是网率分析仪的扫频信号控制[4]。电流-电压转换装置将环路中的电流转化成电压信号作为频率响应分析仪CH1的输入，被测器件输出端的电压作为频率响应分析仪CH2的输入[5]。频响分析仪或网路分析仪通过设置CH1和CH2的实际比例系数通过计算即可得到输出阻抗。

图1 传统的电源输出阻抗测试方法

传统的电源输出阻抗测试方法结构复杂，需要购买专用的电流注入变压器和电流-电压转换探头来配合频响分析仪试用，测试成本较高。

3 改进的输出阻抗测试方法

3.1 压控电流源的设计

改进的电源输出阻抗测试方法省略了电流注入变压器和电流-电压转换装置，降低了测试难度、节约了测试成本。为实现电流注入和电流-电压转换，设计了一种压控电流源[6]。频响分析仪的扫频信号通过压控电流源控制测试环路中的电流变化，CH1采集被测器件的输出端信号，CH2采集环路中采样电阻两端的电压信号，通过设置频响分析仪的电流采样比例，计算即可得到输出阻抗。图2为改进的输出阻抗测试方法。

图2 改进的电源输出阻抗测试方法

为实现图2中的阻抗测试，必须设计一种受电压控制的电流源（负载）。图3为一款适配频响分析仪和网络分析仪的压控电流源电路。

图3 压控电流源原理图

该电路的工作原理是通过运放闭环调节P1点的电压跟随运放正输入端的电压VIN+，则电路工作时有：

由式（1）和式（2）可以得到：

因此该电路可以实现压控电流源的功能。图4为压控电流源电路的仿真波形，可以看到VP1电压跟随VIN+，和设计目标符合。测试时VOUT端口连接被测器件的输出端，即可实现压控电流源的效果。采样电阻的大小可以根据测试要求的电流大小、被测器件的输出阻抗等条件，考虑到运放失调电压，选取电阻在满足负载电流的条件下要使P1点的电压在运放工作电压的50%左右。同时要兼顾测试频率，使电压的变化率不要超出运放的摆率范围[7]。

图4 压控电流源仿真波形

3.2 器件选型和PCB设计

运放的选择要考虑工作电压范围、增益带宽积、摆率等因素。功率管选择NMOS功率管，选型要考虑工作电压范围、工作电流和封装散热等因素[8]。采样电阻要根据测试的电流选择阻值和功率，电阻精度要高，因为电阻的精度直接影响阻抗测量的精度。

本方案选择运放的型号为LM7321，增益带宽积20 MHz，压摆率18 V/μs。该运放为无限容性负载运算放大器，输出电流+60 mA/-100 mA，可以驱动容性负载，避免由于功率MOS管栅电容过大引起电路震荡。带宽和摆率满足目前阻抗测试要求。功率MOS管选择IRLZ44NS，该功率管VDS=55 V，RDS(on)=22 mΩ，ID=47 A，封装为D2PAK。该封装带有大面积热沉，焊接到PCB板或是接散热板，可以很好地散热。

PCB设计主要考虑功率管散热问题，本设计选择2个功率MOS管并联的方式均分电流，减小单个功率管的发热量，PCB板采用双面铺铜，便于功率管散热。图5为压控电流源电路PCB设计图。

图5 压控电流源PCB设计

4 实际测试结果

使用Venable频率响应分析仪配合自制的压控电流源测试多款LDO电路。图6为搭建的阻抗测试系统图。表1为多款电路实测结果和手册典型值的对比。实际测试值和手册典型值接近。图7为RHFL4XXX实际测试结果，电路手册中输出阻抗典型值在20 kHz时为100 mΩ，可以看出输出阻抗随频率增大而增大，在20 kHz测试值为96 mΩ，实际测试值与手册典型值非常接近。通过多款样品电路的测试，说明该方法阻抗实际测试值与样品典型值接近，具有较高的测试精度。表2为使用传统方法和使用本文方法测试3种LDO电路输出阻抗的结果对比，可以看出使用本文方法测试的电路输出阻抗和传统方法的测试结果误差较小，且结构简单，操作方便，测试成本低。