1 開關電源簡述

開關電源（Switching Mode Power Supply
，常常簡化為SMPS）


，是一種高頻電能轉換裝置。其功能是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(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(fei)隔(ge)離(li)即(ji)輸(shu)入(ru)端(duan)與(yu)輸(shu)出(chu)端(duan)相(xiang)通(tong)，沒(mei)有(you)隔(ge)離(li)措(cuo)施(shi)，常(chang)見(jian)的(de)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。

2 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。

2.1 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。

2.2 Phase點的塌陷

有you時shi候hou工gong程cheng師shi測ce量liang到dao下xia麵mian的de波bo形xing，這zhe是shi典dian型xing的de電dian感gan飽bao和he的de現xian象xiang。對dui於yu經jing驗yan不bu夠gou豐feng富fu的de工gong程cheng師shi
，往wang往wang會hui忽hu略lve掉diao。電dian感gan飽bao和he會hui讓rang電dian感gan值zhi急ji劇ju下xia降jiang，類lei似si於yu短duan路lu了le，這zhe樣yang會hui造zao成cheng電dian流liu的de急ji劇ju增zeng加jia
，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。
2.3 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！

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）有(you)效(xiao)工(gong)作(zuo)
，相(xiang)位(wei)裕(yu)量(liang)和(he)帶(dai)寬(kuan)可(ke)以(yi)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)說(shuo)起(qi)了(le)決(jue)定(ding)性(xing)的(de)作(zuo)用(yong)。很(hen)多(duo)公(gong)司(si)完(wan)全(quan)依(yi)賴(lai)於(yu)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)廠(chang)家(jia)給(gei)的(de)參(can)考(kao)設(she)計(ji)方(fang)案(an)裏(li)的(de)推(tui)薦(jian)值(zhi)
，但(dan)是(shi)跟(gen)你(ni)的(de)設(she)計(ji)往(wang)往(wang)有(you)不(bu)小(xiao)的(de)差(cha)異(yi)，這(zhe)樣(yang)會(hui)有(you)很(hen)大(da)的(de)潛(qian)在(zai)風(feng)險(xian)。

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(Transient response)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。

ruguonimeiyouyongzhengquedefangfaceshichuxitongdehuanluzengyidebotetu
，nameniruhexiashouqutiaoshizhexiexiangmurangtatongguoceshine？zhiyoulailaihuihuibutingzuoshiyan。ranhoulailaihuihuipaogongnengceshi。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。zhejiushiweishayaoceshiphase margin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noise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。

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noise和他的係統noise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noise在頻域上的區別呢
？

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