工程師都知道，電子器件的電源測(cè)量通常是指開關(guān)電源的測(cè)量,，當(dāng)然也包括線性電源,。本文講解PWM開關(guān)電源,，而且僅僅是作為測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，為大家簡(jiǎn)述一些容易引起系統(tǒng)失效的因素,。因此,，在閱讀本文之前,，需要對(duì)開關(guān)電源有一定的了解。
開關(guān)電源是一種高頻電能轉(zhuǎn)換裝置,，能將電壓透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流,。開關(guān)電源的拓?fù)渲搁_關(guān)電源電路的構(gòu)成形式。一般是根據(jù)輸出地線與輸入地線有無電氣隔離,，分為隔離及非隔離變換器,。
非隔離即輸入端與輸出端相通，沒有隔離措施,，常見的DC/DC變換器大多是這種類型,。所謂隔離是指輸入端與輸出端在電路上不是直接聯(lián)通的，使用隔離變壓器通過電磁變換方式進(jìn)行能量傳遞,，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的,。
對(duì)于開關(guān)變換器來說，只有三種基本拓?fù)湫问?，即?/p>
Buck（降壓）
Boost（升壓）
Buck-Boost（升降壓）
三種基本拓?fù)湫问?，是電感的連接方式?jīng)Q定。若電感放置于輸出端,，則為Buck拓?fù)?；電感放置于輸入端，則是Boost拓?fù)?。?dāng)電感連接到地時(shí),，就是Buck-Boost拓?fù)洹?/p>
容易引發(fā)系統(tǒng)失效的關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試
以下的測(cè)試項(xiàng)目除了是指在靜態(tài)負(fù)載的情況下測(cè)試的結(jié)果，只有噪聲（noise）測(cè)試需要用到動(dòng)態(tài)負(fù)載,。
1.Phase點(diǎn)的jitter
對(duì)于典型的PWM開關(guān)電源,，如果phase點(diǎn)jitter太大，通常系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定（和后面提到的相位裕量相關(guān)）,，對(duì)于200~500K的PWM開關(guān)電源,，典型的jitter值應(yīng)該在1ns以下。
2. Phase點(diǎn)的塌陷
有時(shí)候工程師測(cè)量到下面的波形,，這是典型的電感飽和的現(xiàn)象,。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的工程師，往往會(huì)忽略掉,。電感飽和會(huì)讓電感值急劇下降,，類似于短路了，這樣會(huì)造成電流的急劇增加,，MOS管往往會(huì)因?yàn)闇囟鹊募眲≡黾佣鵁龤?。這時(shí)需要更換飽和電流更大的電感。
3.Shoot through測(cè)試
測(cè)試的目的是看上MOS管導(dǎo)通時(shí)，有沒有同時(shí)把下管打開,，從而導(dǎo)致電源直接導(dǎo)通到地而引起短路,。如圖三所示藍(lán)色曲線（Vgs_Lmos）就是下管在上管導(dǎo)通的同時(shí)，被帶了起來,，如果藍(lán)色曲線的被帶起來的尖峰超過了MOS管的Vth要求,，同時(shí)持續(xù)時(shí)間（Duration）也超過了datasheet要求，從而就會(huì)有同時(shí)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn),。當(dāng)然,，這是大家最常見到的情況。
下面這種情況有非常多的人會(huì)忽視,，甚至是一些比較有經(jīng)驗(yàn)的電源測(cè)試工程師,。下面組圖四是下管打開，上管關(guān)閉時(shí)候的波形（圖4-1是示意圖,，圖4-2示實(shí)際測(cè)試圖）,。雖然沒有被同時(shí)帶起的情況，但是請(qǐng)注意上下管有交叉的現(xiàn)象,，而且交叉點(diǎn)的電平遠(yuǎn)高于MOS管規(guī)定的Vth值,，這是個(gè)嚴(yán)重的shoot through現(xiàn)象。最直接的后果就是MOS管燒毀,！
4.相位裕量和帶寬（phase margin and bandwidth）
相位裕量和帶寬是很多公司都沒有測(cè)試的項(xiàng)目（尤其是規(guī)模較小的公司受限于儀器）,，但是這卻是個(gè)非常重要的測(cè)試項(xiàng)目。電源系統(tǒng)是否穩(wěn)定,，是否能長(zhǎng)時(shí)間（3年或以上）有效工作,，相位裕量和帶寬可以在很大程度上說起了決定性的作用,。很多公司完全依賴于電源芯片廠家給的參考設(shè)計(jì)方案里的推薦值,，但是跟你的設(shè)計(jì)往往有不小的差異，這樣會(huì)有很大的潛在風(fēng)險(xiǎn),。
如果系統(tǒng)是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng),，反映在一些電源測(cè)試項(xiàng)目里面，會(huì)看到以下幾個(gè)主要問題,。
電源的Noise測(cè)試通過,，但是電源依然不穩(wěn)定。表現(xiàn)為功能測(cè)試fail.常常有工程師在debug時(shí)說我的電源noise已經(jīng)很小了,，加了很多電容了,，為啥還是跑不動(dòng)呢？其實(shí)是他的閉環(huán)系統(tǒng)本來就不穩(wěn)定,。
Phase點(diǎn)jitter過大,。這是比較典型的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
瞬態(tài)響應(yīng)太大。最笨的辦法就是加很多電容,，去滿足瞬態(tài)響應(yīng)的要求,。對(duì)于低成本產(chǎn)品，這可是要錢的啊,。
如果你沒有用正確的方法測(cè)試出系統(tǒng)的環(huán)路增益的波特圖,，那么你如何下手去調(diào)試這些項(xiàng)目讓他通過測(cè)試呢？只有來來回回不停作實(shí)驗(yàn),。然后來來回回跑功能測(cè)試,。Oh，my god,，浩大的工作量,。而且，對(duì)于一些低成本的產(chǎn)品,，往往用到了鋁電解電容,，MLCC電容等低成本方案（電感，電阻值基本沒有變化）,。這些電容的容值會(huì)隨著時(shí)間變化而減少,。如MLCC，系統(tǒng)運(yùn)行在正常溫度兩年~三年,，容值會(huì)變到原來的一半,。而這一半電容的變化，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成很大的影響,，這也是為什么很多低價(jià)的產(chǎn)品質(zhì)量不可靠的一個(gè)重要原因,。那是不是說價(jià)格越高，用越多的電容就越好呢,，當(dāng)然不是,。這就是為啥要測(cè)試相位裕量的原因。你需要調(diào)試一組合理的值,，能夠同時(shí)覆蓋全電容以及半電容的要求,。這樣同樣能做到低價(jià)格高品質(zhì)。
根據(jù)奈奎斯特定理對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求,，規(guī)范要求一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的相位裕量最少為60度,，45~60度可以考慮為最低限額要求。對(duì)于帶寬,，200~500K的開關(guān)電源的要求在10%~30%的開關(guān)頻率,。從開關(guān)電源的穩(wěn)定性看帶寬越低，電源越容易穩(wěn)定,。從開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)指標(biāo)看,，帶寬越高電源的動(dòng)態(tài)性能越好,。
下圖五為典型的波特圖：
另外一點(diǎn)非常重要的是，除了PWM開關(guān)電源,，有很多線性電源（LDO）,，其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在芯片外部的，也要做類似的環(huán)路增益的波特圖測(cè)試,，從而確保其穩(wěn)定性,。LDO的測(cè)試，是絕大多數(shù)廠家容易忽略掉的,。比如如下圖六所示
這種電路,，很多人會(huì)直接測(cè)量噪聲完事。
我們有可能會(huì)看到的相位裕量不能達(dá)到要求,。如下圖七,，只有30度左右。這個(gè)時(shí)候,，只有調(diào)試不同的參數(shù),，才能得到比較好的結(jié)果。從而滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求,。
5.電源紋波和噪聲
電源紋波和噪聲,，看起來是電源測(cè)試?yán)锩孀詈?jiǎn)單的項(xiàng)目。但是也有可能對(duì)你的測(cè)試結(jié)果和功能有比較大的影響,。
首先是紋波,，我們測(cè)試的時(shí)候，只是看是不是符合規(guī)范要求,，比如30mV等等,。有些時(shí)候，紋波和系統(tǒng)的PLL是有關(guān)系的,。如果你的PLL jitter不過,，可以考慮進(jìn)一步減小ripple.噪聲，有人會(huì)問,，為啥我的系統(tǒng)噪聲和他的系統(tǒng)噪聲基本是一個(gè)范圍,，但是我的系統(tǒng)會(huì)跑fail呢,？首先我們要排除前面講的系統(tǒng)穩(wěn)定性原因,，然后，親,，你有沒有用示波器做過FFT,，看看同樣噪聲在頻域上的區(qū)別呢？