HPMicro PowerLoop电源环路扫频与分析工具使用指南

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HPMicro
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HPMicro PowerLoop 是 HPMicro 针对电源环路测量推出的频率扫描与分析软件，适用于 HPMicro 系列 MCU。软件集成电源环路测量、环路补偿设计功能，方便用户快速完成电源环路分析与参数优化。

本手册介绍设备连接、Monitor 配置面板导入、参数读写、扫频、曲线导出和环路设计。首次使用时先连接配套固件，再导入与设备通道对应的面板；设置电源工作点和扫描参数。

目录

1 软件与界面

1.1 界面区域

左侧设置串口及扫描参数，右侧通过页签查看响应、数据和调试面板。

区域或页签 用途
串口设置 刷新和选择 COM 端口、波特率，连接或断开目标板。
扫描设置 选择 OpenLoop 或 Plant、选择电压或电流通道，设置频率范围、点数、注入幅度和扫描类型。
测量控制 开始或停止扫描、切换叠加模式和相位解绕、导入或导出数据。
伯德图 查看幅值、相位、曲线卡片和游标。
奈奎斯特图 查看复平面轨迹及曲线信息。
数据表格 查看当前曲线的频率、幅值和相位。
环路设计 加载 Plant 响应，调整补偿器。
Monitor调试 导入 Monitor Studio 导出的 JSON，按配置生成显示卡片和读写控件。
其他 切换语言、打开本使用手册、查看第三方组件和许可证。

HPMicro PowerLoop 当前主界面，左侧为串口和扫描设置，右侧为伯德图

图 1 当前主界面，未连接设备。

1.2 启动软件

双击 HPMicro PowerLoop.exe 启动软件。

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2 设备连接

2.1 连接目标板

  1. 下载与本上位机配套的固件，并让 MCU 正常运行；调试器暂停 CPU 时无法正常处理握手和扫频通信。
  2. 按板卡通信接口定义连接电脑串口适配器。
  3. 在 Windows 设备管理器确认对应 COM 端口。关闭占用同一端口的 Monitor Studio、旧上位机或串口终端。

2.2 连接串口

  1. 展开左侧“串口设置”，点击“刷新”。
  2. 选择目标板对应的 COM 端口和 波特率。
  3. 点击“连接串口”，等待“Monitor V3 连接中…”结束。
  4. 握手和设备信息读取成功、扫频结果确认通道检查通过后，界面显示“已连接”和端口号，按钮变为断开串口。

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3 频率响应测量

3.1 选择测量类型和通道

Bode 按钮用于扰动注入和数据采集。

测量模式 测量对象 使用方法
OpenLoop 所选电压或电流通道的环路响应。 用于观察现有控制环的频率响应。
Plant 所选反馈量相对实际 PWM 控制量的功率级响应。 保持原有闭环运行，用于后续补偿器设计

选择“电压”通道时，注入幅度单位为 V；选择“电流”通道时，注入幅度单位为 A。所测环路应实际参与调节；如果其他限流环接管、控制量限幅或工作点变化，结果可能失真。

当前发布界面提供 OpenLoop、Plant 和电压、电流通道。正常扫描使用频率范围和点数设置。

3.2 扫描参数

参数 设置方法
起始频率、终止频率 单位 Hz。范围从低频扫到高频
扫描点数 当前界面可设置 10～1000 点，最大 1000 点。 点数越多，所需时间越长。
注入幅度 输入大于 0 且不超过 5.0，单位由所选通道决定。当前幅度框保留两位小数；幅值过小容易受噪声影响，过大可能导致限幅或改变工作点。
扫描类型 对数扫描按比例分布频点；线性扫描按相等频率间隔分布。

3.3 扫频步骤

  1. 连接设备。
  2. 选择 OpenLoop 或 Plant，再选择电压或电流。确认所选环路实际参与调节。
  3. 设置频率范围、10～1000 点和适合当前工作点的注入幅度。
  4. 切换“伯德图”，点击“开始扫描”。扫描按钮变为“停止扫描”。
  5. 观察频点数量、当前频率及曲线。
  6. 扫描结束后检查幅值、相位及数据表格，可导出 CSV。提前结束时点击“停止扫描”。
  7. 需要关闭电源时，按被测设备的操作要求停机。

当前伯德图界面中的幅值、相位和曲线卡片

图 2 伯德图操作示例。

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4 曲线、数据与导出

4.1 伯德图

伯德图（Bode 图）用于查看被测对象的频率响应。界面如图 2 所示，上方为幅频图，下方为相频图。两图横轴均为 Frequency（Hz），采用对数刻度。

图形 纵轴 含义
幅频图（上图） Gain（dB） 显示增益随频率的变化。
相频图（下图） Phase（deg） 显示相位随频率的变化，单位为度（°）。

对于 OpenLoop 曲线，幅频曲线穿越 0 dB 时的频率为交越频率 fc；结合相位裕量 Pm 和增益裕量 Gm，可查看控制环路的稳定裕量。右侧 Traces 卡片显示各条曲线的名称和相关指标。

4.2 奈奎斯特图

切换“奈奎斯特图”查看响应实部与虚部构成的轨迹。

指标 含义
fc 环路幅值穿越 0 dB 的交越频率。
Pm 相位裕量，在交越频率处根据相位计算。
Gm 增益裕量，根据环路相位穿越 −180° 处的幅值计算。
Sm 复平面轨迹到 (−1, j0) 的最近距离。

奈奎斯特图、单位圆、临界点和曲线信息列表

图 3 奈奎斯特图示例。

4.3 曲线管理

右侧 Traces 列表用于管理当前曲线和叠加保留的曲线。

操作 方法
显示 / 隐藏 点击卡片左上角复选框；同一条曲线在伯德图和奈奎斯特图中的可见状态同步。
改名 点击编辑图标，填写新名称。名称不能与已有曲线重复；长名称省略显示，悬停可查看完整名称。
折叠 / 展开 点击卡片右侧箭头，收起或展开裕量信息。
删除 点击删除图标并确认。删除当前曲线会同时清空当前数据表。
多次测量对比 点击“叠加模式（开／关）”切换。开启后，下一次成功开始测量时保留上一条曲线；关闭时新测量替换当前曲线，已保留的其他曲线仍在。

曲线保留只用于当前软件会话，不等于已写入文件。需要保存测量结果时，及时导出当前数据。

4.4 游标与相位解绕

测量结束后，在伯德图的幅频图或相频图内左键单击，游标选择点击位置附近最近的可见曲线；按住左键拖动可改变频率。两幅图共享同一频率位置，图内标注显示所选曲线名称、频率、增益和相位。

右侧每条曲线卡片的 Freq、Gain、Phase 分别显示该游标频率处的频率、幅值和相位，便于对比多条曲线。该功能同样适用于导入曲线和环路设计快照。隐藏曲线、频率超出该曲线范围或没有有效读数时显示 N/A。

相位在 ±180° 附近跳变时，可打开“相位解绕”查看连续相位。该选项改变相位的显示和表格、导出表现，不会重新测量或改变已经采集的响应。

4.5 视图自动适配与 A 按钮

伯德图、奈奎斯特图和环路设计图统一采用自动适配显示，鼠标滚轮和拖动不会缩放或平移曲线。

将鼠标移入绘图区，若左下角出现 A 按钮，点击即可恢复自动适配，让曲线重新完整显示，并随数据变化调整显示范围。

4.6 数据表格、导入与导出

“数据表格”只显示当前曲线的 Frequency(Hz)、Magnitude(dB)、Phase(°) 三列；切换或显示其他保留曲线不会自动替换当前表格数据。

导入数据

  1. 展开左侧“测量控制”，点击“导入数据”。无需连接设备即可导入离线响应。
  2. 选择 CSV、TXT 或 TSV 文件。首行应包含 Fre、Gain、Phase（也支持 Frequency(Hz)、Magnitude(dB)、Phase(°)），至少两行有效数据。
  3. 软件按频率从小到大排列有效数据，显示在伯德图和数据表格中。频率单位为 Hz、幅值为 dB、相位为 °；非正频率或非有限值不能作为有效样本。
  4. 导入时保留原来的当前测量作为对比曲线；取消或导入失败不会覆盖已有数据。

导出数据

  1. 点击“导出数据”，先选择导出内容，再选择 CSV 保存路径。
  2. 当前测量（伯德图 / 表格）： 导出当前测量或导入的当前曲线，表头为 Fre,Gain,Phase,Real,Imag。Real、Imag 保留在文件中，界面表格不显示这两列；不会将全部叠加曲线合并导出。
  3. 环路设计（Plant / Comp / OL）： 导出已加载 Plant 及当前补偿器计算出的三条响应，表头为 Fre,Plant_Gain,Plant_Phase,Comp_Gain,Comp_Phase,OL_Gain,OL_Phase。
  4. 相位解绕开启时，文件中的相位也采用解绕后的显示值。再次导入环路设计文件时，选择 Plant、Comp 或 OL 中的一条曲线。

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5 环路设计

5.1 准备功率级数据

环路设计使用功率级 Plant 响应。先用“Plant”模式测量，或准备与控制器输入、输出单位一致的外部功率级数据。不要把 Open Loop 测量结果直接当作 Plant，否则再乘补偿器后会得到错误的环路结果。

  1. 切换“环路设计”页。
  2. 在 Plant 下拉框中选择当前测量曲线或已保留的曲线；选择条目后加载数据。
  3. 需要外部数据时，点击“Import File...”选择 CSV、TXT 或 TSV 文件。

导入文件首行需要包含频率、幅值和相位列名，推荐使用下列格式；至少提供两行有效数据，频率必须大于零。

Fre,Gain,Phase
100,-40.0,-20.0
1000,-46.0,-80.0
10000,-65.0,-150.0

这里的频率为 Hz，Gain 为 dB，Phase 为 °。以上仅演示文件格式。导入时不自动识别“Ω”或任意物理单位，因此数据量纲必须由使用者确认。

5.2 设置补偿器

  1. 在 Comp Type 中选择 1P1Z、2P2Z 或 3P3Z。
  2. 将 ISR Freq 设置为固件实际执行控制算法的更新频率，单位为 kHz。
  3. 设置 Kdc 和当前结构有效的零点、极点频率，零极点输入单位为 kHz。
  4. 观察曲线变化，继续调整有效参数。
类型 有效零点 有效极点
1P1Z fz1 fp1
2P2Z fz1、fz2 fp1、fp2
3P3Z fz1、fz2、fz3 fp1 固定为 0 Hz 的积分极点，fp2、fp3 可设置

N/A 表示该结构不使用的参数；3P3Z 的 fp1 固定且不可编辑。Kdc 是界面用于计算补偿器的增益参数，带积分极点时不能把它直接解释成有限直流增益。当前可选结构以 Comp Type 下拉框实际列出的项目为准。

5.3 查看设计结果

Show Graphs for 区域提供三组显示开关：Plant 为功率级，Comp 为补偿器，OL 为两者相乘得到的开环响应。点击 View 旁的 Bode / Nyquist 按钮切换图形。底部显示环路的 fc、Pm、Gm 等指标。

调整参数后，应同时检查幅值、相位和数字系数，确认设计覆盖实际关心的频率范围。此页是计算预览，调整参数不会自动写入下位机。

将一条曲线添加到伯德图

Plant、OL、Comp 三个图例的右侧各有一个小“+”，字号与周围文字一致。将鼠标停在“+”上，可看到“将对应曲线放到 Bode 标签页”的提示。

曲线保存的是添加时的独立快照，后续切换 Plant 或调整补偿器不会改变它；需要对比新设计时再次点击“+”。

环路设计页的 Plant 选择、补偿器参数、数字系数和结果曲线

图 4 环路设计示例。

5.4 使用数字系数

右上角列出 B0～B3、A1～A3，按下列差分方程计算控制量：

u[k] = B0*e[k] + B1*e[k-1] + B2*e[k-2] + B3*e[k-3]
       - A1*u[k-1] - A2*u[k-2] - A3*u[k-3]

使用时复制对应数值到固件控制器参数，保持上述历史输出项的负号约定，并确认固件使用相同的采样频率与输入、输出单位。

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6 Monitor 配置面板

为方便用户调试设备，软件提供“Monitor调试”界面，用于查看设备数据和读写调试参数。该界面类似可配置的串口上位机，用户可通过导入 Monitor 配置文件，生成适合自己设备的调试面板。

6.1 导入和切换配置

  1. 在 Monitor Studio 中保存或导出所需的调试面板 JSON。文件应采用通道模式，通道编号与数据类型与目标板固件一致。
  2. 进入 PowerLoop 的“Monitor调试”页，点击“导入 Monitor 配置…”，选择 JSON 文件。
  3. 软件检查配置后生成卡片，并将文件副本保存到程序旁的 board_plugins/monitor_config/
  4. 不同配置可生成不同的通道、名称、布局和控件。通过“调试面板”下拉框切换此前导入的文件。
  5. 每次重新启动软件，调试页都保持空白。要使用已导入配置，手动从下拉框选择；也可再次导入。

按 Monitor JSON 生成的蓝色调试卡片和读写控件

图 5 导入配置后的面板示例。

未导入配置时显示请导入 Monitor 配置的空白调试页

图 6 调试页的默认状态。

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7 其他设置与许可证

左侧“串口设置”“扫描设置”“测量控制”“其他”均可点击标题折叠或展开，默认展开。折叠区域只隐藏其中的控件，不会停止测量、断开串口或改变设定值。

  1. 展开“其他”，点击“中文”或“English”切换界面语言。测量通道和电压、电流选项随语言切换，通信字段的实际取值不变。
  2. 点击“使用手册”，在默认浏览器打开随软件分发的离线手册。
  3. 点击“许可证”，打开第三方组件及许可证窗口。
  4. “组件与使用权利”列出组件版本和使用说明；“许可全文”显示对应条文；“获取库源码”提供所记录版本的官方库源码链接。

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适用版本 HPMicro PowerLoop V1.0.0。

免责声明

上海先楫半导体科技有限公司（以下简称：“先楫”）保留随时更改、更正、增强、修改先楫半导体产品和/或本文档的权利，恕不另行通知。用户可在先楫官方网站 https://www.hpmicro.com 获取最新相关信息。

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版本信息

日期 版本 描述
2026/10/30 Rev1.0 初版发布
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