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容易引發開關電源系統失效的關鍵參數測試

2018-06-05

  工程師都知道,電子器件的電源測量通常是指開關電源的測量,當然也包括線性電源。本文講解PWM開關電源,而且僅僅是作為測試經驗的總結,為大家簡述一些容易引起系統失效的因素。因此,在閱讀本文之前,需要對開關電源有一定的了解。

  開關電源是一種高頻電能轉換裝置,能將電壓透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的拓撲指開關電源電路的構成形式。一般是根據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,是電感的連接方式決定。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。當電感連接到地時,就是Buck-Boost拓撲。

  容易引發系統失效的關鍵參數測試

  以下的測試項目除了是指在靜態負載的情況下測試的結果,只有噪聲(noise)測試需要用到動態負載。

  1.Phase點的jitter

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  對于典型的PWM開關電源,如果phase點jitter太大,通常系統會不穩定(和后面提到的相位裕量相關),對于200~500K的PWM開關電源,典型的jitter值應該在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象。對于經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。

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  3.Shoot through測試

  測試的目的是看上MOS管導通時,有沒有同時把下管打開,從而導致電源直接導通到地而引起短路。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,同時持續時間(Duration)也超過了datasheet要求,從而就會有同時導通的風險。當然,這是大家最常見到的情況。

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  下面這種情況有非常多的人會忽視,甚至是一些比較有經驗的電源測試工程師。下面組圖四是下管打開,上管關閉時候的波形(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象,而且交叉點的電平遠高于MOS管規定的Vth值,這是個嚴重的shoot through現象。最直接的后果就是MOS管燒毀!

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  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。電源系統是否穩定,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計方案里的推薦值,但是跟你的設計往往有不小的差異,這樣會有很大的潛在風險。

  如果系統是一個不穩定的系統,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,但是電源依然不穩定。表現為功能測試fail.常常有工程師在debug時說我的電源noise已經很小了,加了很多電容了,為啥還是跑不動呢?其實是他的閉環系統本來就不穩定。

  Phase點jitter過大。這是比較典型的不穩定現象。

  瞬態響應太大。最笨的辦法就是加很多電容,去滿足瞬態響應的要求。對于低成本產品,這可是要錢的啊。

  如果你沒有用正確的方法測試出系統的環路增益的波特圖,那么你如何下手去調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,會對系統的穩定造成很大的影響,這也是為什么很多低價的產品質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,當然不是。這就是為啥要測試相位裕量的原因。你需要調試一組合理的值,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。

  根據奈奎斯特定理對系統穩定性要求,規范要求一個閉環系統的相位裕量最少為60度,45~60度可以考慮為最低限額要求。對于帶寬,200~500K的開關電源的要求在10%~30%的開關頻率。從開關電源的穩定性看帶寬越低,電源越容易穩定。從開關電源的動態指標看,帶寬越高電源的動態性能越好。

  下圖五為典型的波特圖:

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  另外一點非常重要的是,除了PWM開關電源,有很多線性電源(LDO),其補償網絡在芯片外部的,也要做類似的環路增益的波特圖測試,從而確保其穩定性。LDO的測試,是絕大多數廠家容易忽略掉的。比如如下圖六所示

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  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,只有調試不同的參數,才能得到比較好的結果。從而滿足系統穩定性的要求。

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  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范要求,比如30mV等等。有些時候,紋波和系統的PLL是有關系的。如果你的PLL jitter不過,可以考慮進一步減小ripple.噪聲,有人會問,為啥我的系統噪聲和他的系統噪聲基本是一個范圍,但是我的系統會跑fail呢?首先我們要排除前面講的系統穩定性原因,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別呢?

  


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