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深入理解穿越频率fc对系统有什么影响?

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在前面几篇文章中提到二火老师自己做了个注入变压器,并输出了相应的说明文章和视频:

终于搞出来了—电源环路稳定性测试
视频-电源环路稳定性测试

为了进一步验证该注入变压器的性能,搭配Bode100进行了实测,并将结果和B-WIT100做了对比:

注入变压器和Bode100实测效果对比
注入变压器搭配Bode100实测结果对比

有同学提供Pictest的注入变压器J2101A也很常用,二火也去做了对比:

注入变压器与Picotest实测效果对比

总体看下来,效果基本一致,没啥大的差异。有测电源环路稳定性需求或对电源需要做进一步研究的同学,或是需要找平替的,可以考虑下。感兴趣的同学可以加WX:hardware_lecture 联系二火老师。

言归正传,要测电源环路稳定性或者测试伯德图,非常关注的一个点就是穿越频率fc。有同学可能会立即说,穿越频率fc越高,说明电源带宽越宽,稳定性越高。那二火老师要问了,穿越频率fc的高低到底有什么影响?今天我们就来聊一聊。

   

一道问题


   

   

照例,先抛出来一道问题:穿越频率fc的高低对系统有什么影响?能否设计个实验,把影响具象化?

都说穿越频率很重要,这个重要体现在哪里?小编希望能把重要程度的影响通过实验仿真的方式展现出来,这样各位同学才能更深入更形象地理解穿越频率的内在含义。

   

穿越频率fc与带宽的关系


   

   

穿越频率是系统环路增益幅度为1(即0dB)时所对应的频率fc,通常也称作电源的带宽。

这里有个问题,为什么电源的穿越频率fc会被称作电源的带宽?

这里有一个“增益带宽积”的概念,在运算放大器中经常会被提及。在一定频率范围内,运放的开环增益与对应频率的乘积是常数,这个常数即为增益带宽积,Gain Bandwidth Product,GBP或GBW。

简单来说,开关增益*频率=增益带宽积。

那么,当开环增益不断下降,直到为0dB,即放大倍数为1倍,此时对应的频率就是单位增益带宽,Unity Gain-Bandwidth,UGBW。此时意味着,在该频率fc下,运放放大信号的能力“刚好”为1。超过这个频率,运放将无法有效放大信号。这个就是到了运放的能力边界。

现在将视野从运放转移到电源系统,在电源架构也存在运放,电源就是一个大号的负反馈系统,里面有误差放大器、PWM调制器、Driving电路、LC滤波、分压采集等模块,这一整套构成了闭环系统。我们需要关注其开环增益,而开环增益为0dB时对应的频率就是单位增益带宽,这也就是我们常说的电源的带宽。

通过上面的分析,我们知道了穿越频率和带宽的关系,但还是没有回答文章开头提到的问题——对系统有啥影响?

别急,继续往下。

   

穿越频率的影响


   

   

说到穿越频率的影响,同学的第一反应可能是:根据穿越频率fc,我们可以在伯德图上获取到相位裕度PM。结合相位裕度的数值大小,可以进一步判断系统的稳定性。

不对! 

上面说的“系统的稳定性”是相位裕度PM对系统的影响,而不是穿越频率的影响。单就穿越频率而言,我们可以获取到相位裕度PM,这是其中一个影响。还有其他影响吗?

先说结论:穿越频率fc的高低,影响系统的响应速度。

对,就是系统的响应速度!下面,我们将通过搭建一套模型,通过仿真来验证。

   

穿越频率的影响--仿真验证


   

   

为了降低模型复杂度,我们使用由运放组成的负反馈系统来搭建仿真模型。仿真软件使用TINA-TI,硬件微讲堂的老粉儿应该很熟悉了,前面很多仿真都是用的这个软件。

来源:硬件微讲堂
电源电路UGUnity
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2026-02-12
最近编辑:8月前
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注入变压器和Bode100实测效果对比

在上一篇文章中提到二火老师自己做了个注入变压器,有同学在后台留言,问这个和Bode100有没有对比过,准确度如何。二火老师还真就协调资源搭配Bode100进行了电源环路稳定性的测试。在看对比测试结果之前,我们先看下Bode100配套的注入变压器B-WIT100的参数,这样方便各位有个清晰的认识。 Bode100标配的B-WIT100参数 下图为B-WIT100的User Manual的截图。 从图中可以看出,该注入变压器的可用带宽为1Hz~10MHz,-3dB带宽为7Hz~5MHz(typ)。注意-3dB带宽这里是使用10欧姆的终端和-10dBm的激励。 B-WIT100和自制注入变压器带宽对比 我们先来测试下B-WIT100的带宽。 上图为B-WIT100的带宽。可以看出-3dB时对应的频率为5.2MHz。由于我手上没有10欧姆的端接,实测使用的是50欧姆的终端。因为在这个测试中,只有注入变压器不同,其他测试仪器和陪测电路都一致,所以测试结果具有一定的指导意义。 上图为自制注入变压器的带宽。-3dB带宽对应的频率为10.2MHz,带宽整整多了一倍。另外,还可以看出在中频段,频率响应都非常平坦。在低频30Hz以下,B-WIT100表现更好,自制注入变压器的上翘多一些。 B-WIT100和自制注入变压器实测对比 对比完带宽后,我们实际用电源板做环路分析的对比测试。找了一块电源板,分别用满载(6A)、半载(3A)、空载(0A)做测试。 类别 B-WIT100 注入变压器 增益裕度 25.789dB 25.977dB 相位裕度 37.981° 37.995° 穿越频率 125.854kHz 125.869kHz 上图为满载6A的测试结果对比。 类别 B-WIT100 注入变压器 增益裕度 24.634dB 24.922dB 相位裕度 37.679° 37.848° 穿越频率 122.724kHz 122.628kHz 上图为半载3A的测试结果对比。 类别 B-WIT100 注入变压器 增益裕度 24.12dB 24.215dB 相位裕度 41.865° 40.778° 穿越频率 114.587kHz 111.763kHz 上图为空载0A的测试结果对比。综合来看,注入变压器的实测效果和Bode100标配的B-WIT100效果一致性很高。自己搞搞研究,做做分析,够用了。 广告 最后打个广告。注入变压器和电源评估板,二火老师多做了一点,数量有限,可以出给想进一步提升的同学。感兴趣的同学可以加WX:hardware_lecture①注入变压器:金属外壳,两端带有防摔橡胶套,皮实耐用,提供带宽实测数据(仅供参考)。②电源评估板:Buck,fsw=2.1MHz,Vin max支持到36V,Vout默认是5V,输出电流最大3A,Iq=25uA,支持轻载高效。注入变压器:269/个电源环路评估板:69/个(不单出)打包价格:299/套(注入变压器+电源板)另外还包含:① 电源环路测试的配套视频;② 注入变压器的频率响应(带宽)测试视频;③ 注入变压器的实测频率响应结果(每个注入变压器会单独测试,只给结果,没有视频);特别说明:上面所述注入变压器和电源评估板属于DIY产品,对于设备的精确度不做保证,仅供个人学习研究使用。来源:硬件微讲堂

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