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大咖分享 开关电源测试测量经验

发布时间:2017-07-13信息来源:国测电子


电子器件 的电源测量通常情况是指开关电源的测量(当然还有线性电源)。讲述开关 电源的资料非常多,本文讨论的内容为PWM开关电源,而且仅仅 是作为测试经验的总结,为大家简 述容易引起系统失效的一些因素。因此,在阅读本文之前,已经假定 您对于开关电源有一定的了解。

开关电源简述

开关电源(Switching Mode Power Supply,常常简化为SMPS),是一种高 频电能转换装置。其功能是 将电压透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源 的拓扑指开关电源电路的构成形式。一般是根 据输出地线与输入地线有无电气隔离,分为隔离 及非隔离变换器。非隔离即 输入端与输出端相通,没有隔离措施,常见的DC/DC变换器大 多是这种类型。所谓隔离 是指输入端与输出端在电路上不是直接联通的,使用隔离 变压器通过电磁变换方式进行能量传递,输入端和 输出端之间是完全电气隔离的。对于开关变换器来说,只有三种 基本拓扑形式,即: Buck(降压)、Boost(升压)、 Buck-Boost(升降压)三种基本拓扑形式,是电感的 连接方式决定。若电感放置于输出端,则为Buck拓扑;电感放置于输入端,则是Boost拓扑。当电感连接到地时,就是Buck-Boost拓扑。

容易引发 系统失效的关键参数测试

以下的测 试项目除了是指在静态负载的情况下测试的结果,只有噪声(noise)测试需要 用到动态负载。


Phase点的jitter




对于典型的PWM开关电源,如果phasejitter太大,通常系统会不稳定(和后面提 到的相位裕量相关),对于200~500KPWM开关电源,典型的jitter值应该在1ns以下。

Phase点的塌陷

有时候工 程师测量到下面的波形,这是典型 的电感饱和的现象。对于经验 不够丰富的工程师,往往会忽略掉。电感饱和 会让电感值急剧下降,类似于短路了,这样会造 成电流的急剧增加,MOS管往往会 因为温度的急剧增加而烧毁。这时需要 更换饱和电流更大的电感。



Shoot through测试

测试的目的是看上MOS管导通时,有没有同 时把下管打开,从而导致 电源直接导通到地而引起短路。如图三所示蓝色曲线(Vgs_Lmos)就是下管 在上管导通的同时,被带了起来,如果蓝色 曲线的被带起来的尖峰超过了MOS管的Vth要求,同时持续时间(Duration)也超过了datasheet要求,从而就会 有同时导通的风险。当然,这是大家 最常见到的情况。



下面这种 情况有非常多的人会忽视,甚至是一 些比较有经验的电源测试工程师。下面组图 四是下管打开,上管关闭时候的波形(图4-1是示意图,图4-2示实际测试图)。虽然没有 被同时带起的情况,但是请注 意上下管有交叉的现象,而且交叉 点的电平远高于MOS管规定的Vth值,这是个严重的shoot through现象。最直接的后果就是MOS管烧毁!



相位裕量 和带宽是很多公司都没有测试的项目(尤其是规 模较小的公司受限于仪器),但是这却 是个非常重要的测试项目。电源系统是否稳定,是否能长时间(3年或以上)有效工作,相位裕量 和带宽可以在很大程度上说起了决定性的作用。很多公司 完全依赖于电源芯片厂家给的参考设计方案里的推荐值,但是跟你 的设计往往有不小的差异,这样会有 很大的潜在风险。

如果系统 是一个不稳定的系统,反映在一 些电源测试项目里面,会看到以 下几个主要问题。

● 电源的Noise测试通过,但是电源依然不稳定。表现为功能测试fail。常常有工程师在debug时说我的电源noise已经很小了,加了很多电容了,为啥还是跑不动呢?其实是他 的闭环系统本来就不稳定。

Phasejitter过大。这是比较 典型的不稳定现象。

● 瞬态响应(Transient response)太大。最笨的办 法就是加很多电容,去满足瞬 态响应的要求。对于低成本产品,这可是要钱的啊。

如果你没 有用正确的方法测试出系统的环路增益的波特图,那么你如 何下手去调试这些项目让他通过测试呢?只有来来 回回不停作实验。然后来来 回回跑功能测试。 Oh my god, 浩大的工作量。而且,对于一些 低成本的产品,往往用到 了铝电解电容,MLCC电容等低成本方案(电感,电阻值基本没有变化)。这些电容 的容值会随着时间变化而减少。如MLCC,系统运行 在正常温度两年~三年,容值会变 到原来的一半。而这一半电容的变化,会对系统 的稳定造成很大的影响,这也是为 什么很多低价的产品质量不可靠的一个重要原因。那是不是说价格越高,用越多的 电容就越好呢,当然不是。这就是为啥要测试phase margin的原因。你需要调 试一组合理的值,能够同时 覆盖全电容以及半电容的要求。这样同样 能做到低价格高品质。

根据奈奎 斯特定理对系统稳定性要求,规范要求 一个闭环系统的相位裕量最少为60度,45~60度可以考 虑为最低限额要求。对于带宽,200~500K的开关电源的要求在10%~30%的开关频率。从开关电 源的稳定性看带宽越低,电源越容易稳定。从开关电 源的动态指标看,带宽越高 电源的动态性能越好。

下图五为 典型的波特图:


另外一点 非常重要的是,除了PWM开关电源,有很多线性电源(LDO),其补偿网 络在芯片外部的,也要做类 似的环路增益的波特图测试,从而确保其稳定性。LDO的测试,是绝大多 数厂家容易忽略掉的。比如如下 图六所示这种电路,很多人会直接测量noise完事。


我们有可 能会看到的相位裕量不能达到要求。如下图七,只有30度左右。这个时候,只有调试不同的参数,才能得到 比较好的结果。从而满足 系统稳定性的要求。



电源纹波(ripple)和噪声(noise

电源纹波和噪声,看起来是 电源测试里面最简单的项目。但是也有 可能对你的测试结果和功能有比较大的影响。首先是纹波,我们测试的时候,只是看是 不是符合规范要求,比如30mV等等。有些时候,纹波和系统的PLL是有关系的。如果你的PLL jitter不过 ,可以考虑进一步减小ripple。噪声,有人会问,为啥我的系统noise和他的系统noise基本是一个范围,但是我的系统会跑fail呢?首先我们 要排除前面讲的系统稳定性原因,然后,亲,你有没有 用示波器做过FFT,看看同样noise在频域上的区别呢?


文章来源:电子发烧友



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