經(jīng)驗總結(jié)：關(guān)于開關(guān)電源測量測試的全方位解析

工程師都知道，電子器件的電源測量通常是指開關(guān)電源的測量，當(dāng)然也包括線性電源。本文講解PWM開關(guān)電源，而且僅僅是作為測試經(jīng)驗的總結(jié)，為大家簡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)電源的拓撲指開關(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行能量傳遞，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。
對于開關(guān)變換器來說，只有三種基本拓撲形式，即：
Buck（降壓）
Boost（升壓）
Buck-Boost（升降壓）
三種基本拓撲形式，是電感的連接方式?jīng)Q定。若電感放置于輸出端，則為Buck拓撲；電感放置于輸入端，則是Boost拓撲。當(dāng)電感連接到地時，就是Buck-Boost拓撲。
容易引發(fā)系統(tǒng)失效的關(guān)鍵參數(shù)測試
以下的測試項目除了是指在靜態(tài)負載的情況下測試的結(jié)果，只有噪聲（noise）測試需要用到動態(tài)負載。
1.Phase點的jitter


對于典型的PWM開關(guān)電源，如果phase點jitter太大，通常系統(tǒng)會不穩(wěn)定（和后面提到的相位裕量相關(guān)），對于200~500K的PWM開關(guān)電源，典型的jitter值應(yīng)該在1ns以下。
2. Phase點的塌陷
有時候工程師測量到下面的波形，這是典型的電感飽和的現(xiàn)象。對于經(jīng)驗不夠豐富的工程師，往往會忽略掉。電感飽和會讓電感值急劇下降，類似于短路了，這樣會造成電流的急劇增加，MOS管往往會因為溫度的急劇增加而燒毀。這時需要更換飽和電流更大的電感。


3.Shoot through測試
測試的目的是看上MOS管導(dǎo)通時，有沒有同時把下管打開，從而導(dǎo)致電源直接導(dǎo)通到地而引起短路。如圖三所示藍色曲線（Vgs_Lmos）就是下管在上管導(dǎo)通的同時，被帶了起來，如果藍色曲線的被帶起來的尖峰超過了MOS管的Vth要求，同時持續(xù)時間（Duration）也超過了datasheet要求，從而就會有同時導(dǎo)通的風(fēng)險。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忽視，甚至是一些比較有經(jīng)驗的電源測試工程師。下面組圖四是下管打開，上管關(guān)閉時候的波形（圖4-1是示意圖，圖4-2示實際測試圖）。雖然沒有被同時帶起的情況，但是請注意上下管有交叉的現(xiàn)象，而且交叉點的電平遠高于MOS管規(guī)定的Vth值，這是個嚴重的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試的項目（尤其是規(guī)模較小的公司受限于儀器），但是這卻是個非常重要的測試項目。電源系統(tǒng)是否穩(wěn)定，是否能長時間（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)計方案里的推薦值，但是跟你的設(shè)計往往有不小的差異，這樣會有很大的潛在風(fēng)險。
如果系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，反映在一些電源測試項目里面，會看到以下幾個主要問題。
電源的Noise測試通過，但是電源依然不穩(wěn)定。表現(xiàn)為功能測試fail.常常有工程師在debug時說我的電源noise已經(jīng)很小了，加了很多電容了，為啥還是跑不動呢？其實是他的閉環(huán)系統(tǒng)本來就不穩(wěn)定。
Phase點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)試這些項目讓他通過測試呢？只有來來回回不停作實驗。然后來來回回跑功能測試。Oh，my god，浩大的工作量。而且，對于一些低成本的產(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）。這些電容的容值會隨著時間變化而減少。如MLCC，系統(tǒng)運行在正常溫度兩年~三年，容值會變到原來的一半。而這一半電容的變化，會對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成很大的影響，這也是為什么很多低價的產(chǎn)品質(zhì)量不可靠的一個重要原因。那是不是說價格越高，用越多的電容就越好呢，當(dāng)然不是。這就是為啥要測試相位裕量的原因。你需要調(diào)試一組合理的值，能夠同時覆蓋全電容以及半電容的要求。這樣同樣能做到低價格高品質(zhì)。

根據(jù)奈奎斯特定理對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，規(guī)范要求一個閉環(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)電源的動態(tài)指標看，帶寬越高電源的動態(tài)性能越好。
下圖五為典型的波特圖：

另外一點非常重要的是，除了PWM開關(guān)電源，有很多線性電源（LDO），其補償網(wǎng)絡(luò)在芯片外部的，也要做類似的環(huán)路增益的波特圖測試，從而確保其穩(wěn)定性。LDO的測試，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，很多人會直接測量噪聲完事。

我們有可能會看到的相位裕量不能達到要求。如下圖七，只有30度左右。這個時候，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，看起來是電源測試里面最簡單的項目。但是也有可能對你的測試結(jié)果和功能有比較大的影響。
首先是紋波，我們測試的時候，只是看是不是符合規(guī)范要求，比如30mV等等。有些時候，紋波和系統(tǒng)的PLL是有關(guān)系的。如果你的PLL jitter不過，可以考慮進一步減小ripple.
噪聲，有人會問，為啥我的系統(tǒng)噪聲和他的系統(tǒng)噪聲基本是一個范圍，但是我的系統(tǒng)會跑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？