經驗總結：關於開關電源測量測試的全方位解析-測試測量-電子元件技術網

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經驗總結：關於開關電源測量測試的全方位解析

發布時間：2015-09-09 責任編輯：susan

【導讀】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(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)，而(er)且(qie)僅(jin)僅(jin)是(shi)作(zuo)為(wei)測(ce)試(shi)經(jing)驗(yan)的(de)總(zong)結(jie)，為(wei)大(da)家(jia)簡(jian)述(shu)一(yi)些(xie)容(rong)易(yi)引(yin)起(qi)係(xi)統(tong)失(shi)效(xiao)的(de)因(yin)素(su)。因(yin)此(ci)，在(zai)閱(yue)讀(du)本(ben)文(wen)之(zhi)前(qian)，需(xu)要(yao)對(dui)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)有(you)一(yi)定(ding)的(de)了(le)解(jie)。

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)是(shi)一(yi)種(zhong)高(gao)頻(pin)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)裝(zhuang)置(zhi)，能(neng)將(jiang)電(dian)壓(ya)透(tou)過(guo)不(bu)同(tong)形(xing)式(shi)的(de)架(jia)構(gou)轉(zhuan)換(huan)為(wei)用(yong)戶(hu)端(duan)所(suo)需(xu)求(qiu)的(de)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)拓(tuo)撲(pu)指(zhi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)的(de)構(gou)成(cheng)形(xing)式(shi)。一(yi)般(ban)是(shi)根(gen)據(ju)輸(shu)出(chu)地(di)線(xian)與(yu)輸(shu)入(ru)地(di)線(xian)有(you)無(wu)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)，分(fen)為(wei)隔(ge)離(li)及(ji)非(fei)隔(ge)離(li)變(bian)換(huan)器(qi)。

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bian換huan器qi大da多duo是shi這zhe種zhong類lei型xing。所suo謂wei隔ge離li是shi指zhi輸shu入ru端duan與yu輸shu出chu端duan在zai電dian路lu上shang不bu是shi直zhi接jie聯lian通tong的de，使shi用yong隔ge離li變bian壓ya器qi通tong過guo電dian磁ci變bian換huan方fang式shi進jin行xing能neng量liang傳chuan遞di，輸shu入ru端duan和he輸shu出chu端duan之zhi間jian是shi完wan全quan電dian氣qi隔ge離li的de。

對於開關變換器來說，隻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。若電感放置於輸出端，則為Buck拓撲；電感放置於輸入端，則是Boost拓撲。當電感連接到地時，就是Buck-Boost拓撲。

容易引發係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，隻有噪聲（noise）測試需要用到動態負載。

1.Phase點的jitter

對於典型的PWM開關電源，如果phase點jitter太大，通常係統會不穩定（和後麵提到的相位裕量相關），對於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

youshihougongchengshiceliangdaoxiamiandeboxing，zheshidianxingdedianganbaohedexianxiang。duiyujingyanbugoufengfudegongchengshi，wangwanghuihulvediao。dianganbaohehuirangdianganzhijijuxiajiang，leisiyuduanlule，zheyanghuizaochengdianliudejijuzengjia，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。

下麵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。下麵組圖四是下管打開，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於MOS管規定的Vth值，這是個嚴重的shoot through現象。最直接的後果就是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於儀器），但是這卻是個非常重要的測試項目。電源係統是否穩定，是否能長時間（3年或以上）youxiaogongzuo，xiangweiyulianghedaikuankeyizaihendachengdushangshuoqilejuedingxingdezuoyong。henduogongsiwanquanyilaiyudianyuanxinpianchangjiageidecankaoshejifanganlidetuijianzhi，danshigennideshejiwangwangyoubuxiaodechayi，zheyanghuiyouhendadeqianzaifengxian。

如果係統是一個不穩定的係統，反映在一些電源測試項目裏麵，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？其實是他的閉環係統本來就不穩定。

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。對於低成本產品，這可是要錢的啊。

如(ru)果(guo)你(ni)沒(mei)有(you)用(yong)正(zheng)確(que)的(de)方(fang)法(fa)測(ce)試(shi)出(chu)係(xi)統(tong)的(de)環(huan)路(lu)增(zeng)益(yi)的(de)波(bo)特(te)圖(tu)，那(na)麼(me)你(ni)如(ru)何(he)下(xia)手(shou)去(qu)調(tiao)試(shi)這(zhe)些(xie)項(xiang)目(mu)讓(rang)他(ta)通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)呢(ne)？隻(zhi)有(you)來(lai)來(lai)回(hui)回(hui)不(bu)停(ting)作(zuo)實(shi)驗(yan)。然(ran)後(hou)來(lai)來(lai)回(hui)回(hui)跑(pao)功(gong)能(neng)測(ce)試(shi)。Oh，my god，浩大的工作量。而且，對於一些低成本的產品，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，係統運行在正常溫度兩年~sannian，rongzhihuibiandaoyuanlaideyiban。erzheyibandianrongdebianhua，huiduixitongdewendingzaochenghendadeyingxiang，zheyeshiweishenmehenduodijiadechanpinzhiliangbukekaodeyigezhongyaoyuanyin。nashibushishuojiageyuegao，yongyueduodedianrongjiuyuehaone，dangranbushi。zhejiushiweishayaoceshixiangweiyuliangdeyuanyin。nixuyaotiaoshiyizuhelidezhi，nenggoutongshifugaiquandianrongyijibandianrongdeyaoqiu。zheyangtongyangnengzuodaodijiagegaopinzhi。

根據奈奎斯特定理對係統穩定性要求，規範要求一個閉環係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。對於帶寬，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：

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，隻有30度左右。這個時候，隻有調試不同的參數，才能得到比較好的結果。從而滿足係統穩定性的要求。

5.電源紋波和噪聲

電源紋波和噪聲，看起來是電源測試裏麵最簡單的項目。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，隻是看是不是符合規範要求，比如30mV等等。有些時候，紋波和係統的PLL是有關係的。如果你的PLL jitter不過，可以考慮進一步減小ripple.

噪聲，有人會問，為啥我的係統噪聲和他的係統噪聲基本是一個範圍，但是我的係統會跑fail呢？首先我們要排除前麵講的係統穩定性原因，然後，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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