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開關(guān)電源的測(cè)量

作者： 時(shí)間：2017-01-12 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
圖4-1
圖4-2
組圖四
2.4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)(Transient response)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phase margin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：
圖五
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noise完事。
圖六
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。
圖七
2.5電源紋波(ripple)和噪聲(noise)
電源紋波和噪聲，看起來是電源測(cè)試?yán)锩孀詈唵蔚捻?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)noise和他的系統(tǒng)noise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noise在頻域上的區(qū)別呢？
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