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应用笔记

使用 Moku:Pro 频率响应分析仪进行电源抑制比测量

在本应用说明中,频率响应分析仪用于将扰动信号注入电压调节器的直流输入端,并测量输入纹波到调节器输出纹波的传递函数。

2025 年 8 月 26 日

    电源抑制比

    电源抑制比 (PSRR) 衡量供电设备的输出抑制其直流输入电压变化的能力。PSRR 是运算放大器和稳压器(低压差稳压器 (LDO) 和开关稳压器)的关键性能指标,因为它能够确保即使输入受到干扰,输出电压也能保持稳定和纯净。PSRR 的测量方法是:在直流输入信号上特意注入一个低幅度交流信号(纹波),然后测量被测设备 (DUT) 输入和输出端纹波的功率。以下公式显示了 PSRR 与测得的输入和输出纹波信号之间的关系。

    \(PSRR = 20 \times log\frac{V_{in}}{V_{out}}\)

    Moku 频率响应分析仪输出一系列频率范围内的扫频正弦波,并同时测量输入信号的幅度和相位。频率响应分析仪允许用户查看输入信号本身的幅度和相位,以及相对于输出信号或相对于其他输入信号的幅度和相位。在本应用笔记中,我们将使用频率响应分析仪将正弦波扰动输出到电压调节器的直流输入端,并测量调节器输入电压相对于其输出的传递函数。

    图 1:用于 PSRR 验证的 Picotest VRTS 调节器板和输入/输出连接
    图 1:Picotest VRTS 调节器板和输入/输出连接
    图 2:测试系统设置:线路注入器接收来自直流电源的直流信号和来自 Moku 频率响应分析仪输出的交流信号,并将扰动后的直流信号输出至 VRTS 稳压器板。Moku:Pro 频率响应分析仪接收稳压器板的电压输入和输出电压。使用 MokuPro 测试 PSRR
    图 2:测试系统设置:线路注入器接收来自直流电源的直流信号和来自 Moku 频率响应分析仪输出的交流信号,并将扰动后的直流信号输出至 VRTS 稳压板。Moku:Pro 频率响应分析仪接收稳压板的电压输入和输出电压。

    稳压板的输入电压范围为7-10 VDC。为了补偿线路注入器上的压降,直流电源的输出设置为11 VDC,从而使稳压器输入端的电压为8.5 VDC。

    频率响应分析仪从输出 100 向线路注入器输出 2 mVpp 正弦波。输出信号频率扫描范围为 100 Hz 至 20 MHz。通过扫描扰动信号的频率,我们可以观察稳压器在不同频率下抑制输入纹波的效果。稳压器的输入和输出分别连接到输入 2 和输入 1。此配置允许利用“输入 ÷ 输入 1”测量设置直接测量 Vin/Vout 传递函数,单位为分贝 (dB)。频率响应分析仪的设置和界面如下图 3 所示。

    图 3:频率响应分析仪界面和 PSRR 设置
    图3:频率响应分析仪界面和设置

    功能验证

    收集的数据从频率响应分析仪导出为matfile文件。图4和图5展示了在MATLAB中绘制的调节器产生的PSRR曲线。评估板有三个板载开关,允许用户启用或禁用两个输出电容和一个负载电阻(可增加25 mA负载电流)。输出电容预计会改善高频下的PSRR,如图4所示。所有三条曲线均在电阻开启的情况下测量。为了消除低频范围内的噪声,图5展示了相同的PSRR测量结果,但在频率响应分析仪设置中采用了100 ms的平均值。

    图4:原始PSRR图
    图4:原始PSRR图
    图 5:带平均值的 PSRR 图
    图 5:带平均值的 PSRR 图

    PSRR 曲线显示,在 80 dB 左右有一个相对平坦的频带,直到 2 kHz 左右才开始下降。超过 2 kHz 后,我们可以看到稳压器性能如何随着频率的升高而下降,这在稳压器控制环路无法跟上更高频率时是可以预料的。在输出端添加电容可作为高频噪声的低阻抗路径。它实际上在高频噪声到达负载之前创建了一个低通滤波器。如图 4 和图 5 所示,每个额外的电容都会进一步改善高频下的 PSRR。

    结语

    在本应用笔记中,我们使用 Moku:Pro 频率响应分析仪测量了 Picotest VRTS 板上稳压器的电源抑制比 (PSRR)。我们使用线路注入器向稳压器的直流输入电压注入干扰,频率响应分析仪成功测量了输入纹波相对于输出纹波的传递函数。我们还说明了输出电容对高频纹波抑制的影响。

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