電源正確的測(cè)量方法可以大的改善測(cè)得的紋波結(jié)果

在圖所示的示例中，一名初級(jí)工程師完全錯(cuò)誤地使用了一臺(tái)示波器。他的第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了一支帶長(zhǎng)接地引線的示波器探針；他的第二個(gè)錯(cuò)誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開關(guān)元件附近；他的最后一個(gè)錯(cuò)誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問(wèn)題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號(hào)電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場(chǎng)，耦合自開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)，以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。

圖 1 錯(cuò)誤的紋波測(cè)量得到的較差的測(cè)量結(jié)果

利用正確的測(cè)量方法可以大大地改善測(cè)得紋波結(jié)果。首先，通常使用帶寬限制來(lái)規(guī)定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應(yīng)該為用于測(cè)量的示波器設(shè)定正確的帶寬限制。其次，通過(guò)取掉探針“帽”，并構(gòu)成一個(gè)拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長(zhǎng)接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點(diǎn)周圍，并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步減少拾波。

最后，在隔離電源中，會(huì)產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)之間形成了壓降，從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問(wèn)題的出現(xiàn)，我們就需要特別注意電源設(shè)計(jì)的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個(gè)共模電感器，其在不影響差分電壓測(cè)量的同時(shí)，還減少了共模電流引起的測(cè)量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進(jìn)的測(cè)量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

圖 2 四個(gè)輕微的改動(dòng)便極大地改善了測(cè)量結(jié)果

實(shí)際上，集成到系統(tǒng)中以后，電源紋波性能甚至?xí)谩Ｔ陔娫春拖到y(tǒng)其他組件之間幾乎總是會(huì)存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍總是會(huì)存在額外的旁路電容，它們就是電源的負(fù)載。這二者共同構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，進(jìn)一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時(shí)流經(jīng) 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導(dǎo)體時(shí)，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會(huì)得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會(huì)在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師應(yīng)該能夠找到在其測(cè)試過(guò)程中如何運(yùn)用這種方法的途徑。電源輸出紋波簡(jiǎn)介

理想狀態(tài)時(shí)，電源輸出的直流電壓應(yīng)為一固定值， 但是很多時(shí)候它是通過(guò)交流電壓整流、濾波后得來(lái)的，或多或少會(huì)有剩余的交流成分，這種包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)我們稱之為紋波。較大的紋波會(huì)影響CPU與GPU正常工作，這個(gè)數(shù)值越小越好。

● 判定紋波的標(biāo)準(zhǔn)

Intel在ATX12V 2.31規(guī)范中規(guī)定+12V輸出紋波不得超過(guò)120毫伏，+3.3V與+5V紋波不得超過(guò)50毫伏，這個(gè)量對(duì)于大多品牌電源是非常寬裕的，筆者測(cè)試過(guò)的絕大多數(shù)電源都不會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值，但幾乎所有山寨電源在滿載時(shí)紋波都會(huì)超標(biāo)，內(nèi)部用料設(shè)計(jì)可想而知。

其實(shí)，我們完全可以把電源的紋波圖案和聲音的波譜聯(lián)系到一起。當(dāng)聲音震動(dòng)頻率十分高時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)聲音波譜雜亂甚至高低偏離十分明顯的情況。這和電源紋波中的表現(xiàn)情況是相對(duì)一樣的。

Intel ATX12V 2.31對(duì)電源紋波的規(guī)定

● PBzone輸出紋波測(cè)試設(shè)定

電源每路輸出負(fù)載的紋波值與該路的電流值有很大關(guān)系，一般電源在輕載下紋波是絕不會(huì)超標(biāo)的，所以我們記錄三種狀態(tài)下的紋波：100%負(fù)載、+12V聯(lián)合輸出滿載、+3.3V輸出滿載，+5V輸出滿載。在測(cè)試三路輸出滿載時(shí)，我們把其中一路按照銘牌標(biāo)稱滿載，另外兩路的電流均設(shè)定為2A。

圖3 測(cè)試紋波使用的數(shù)字示波器

圖4 +12V紋波記錄截圖

紋波測(cè)試結(jié)果其實(shí)不難看懂，上面兩張圖分別是高頻與低頻的截圖，兩種紋波值相加即為最終結(jié)果。請(qǐng)大家單擊一張圖放大，會(huì)發(fā)現(xiàn)圖的最下面一行有兩個(gè)數(shù)值，縱向分度值20.0mV，和橫向分度值10.0us。我們只需要關(guān)注mV這個(gè)數(shù)值，20.0mV代表Y軸網(wǎng)格每一格等于20mV，第一張圖的波峰與波谷相隔大致一個(gè)網(wǎng)格，就意味著10.0us的高頻紋波峰-峰值大約是20mV*1=20mV。此外還要注意代表低頻的10.0ms，即右圖，右圖中除去毛刺后的高頻紋波峰-峰值大約是1個(gè)網(wǎng)格即20.0mV。高頻與低頻相加即為該路輸出的紋波值，兩者相加為40mV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Intel規(guī)定的120mV，所以測(cè)試結(jié)果可以說(shuō)非常優(yōu)秀。

電子器件的電源測(cè)量通常情況是指開關(guān)電源的測(cè)量（當(dāng)然還有線性電源）。講述開關(guān)電源的資料非常多，本文討論的內(nèi)容為PWM開關(guān)電源，而且僅僅是作為測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，為大家簡(jiǎn)述容易引起系統(tǒng)失效的一些因素。因此，在閱讀本文之前，已經(jīng)假定您對(duì)于開關(guān)電源有一定的了解。

1 開關(guān)電源簡(jiǎn)述

開關(guān)電源（Switching Mode Power Supply，常常簡(jiǎn)化為SMPS），是一種高頻電能轉(zhuǎn)換裝置。其功能是將電壓透過(guò)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?fù)渲搁_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(wú)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(méi)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(guò)電磁變換方式進(jìn)行能量傳遞，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。

對(duì)于開關(guān)變換器來(lái)說(shuō)，只有三種基本拓?fù)湫问?，即?/p>

Buck（降壓）

Boost（升壓）

Buck-Boost（升降壓）

三種基本拓?fù)湫问剑请姼械倪B接方式?jīng)Q定。若電感放置于輸出端，則為Buck拓?fù)?；電感放置于輸入端，則是Boost拓?fù)?。?dāng)電感連接到地時(shí)，就是Buck-Boost拓?fù)洹?/p>

2 容易引發(fā)系統(tǒng)失效的關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試

以下的測(cè)試項(xiàng)目除了是指在靜態(tài)負(fù)載的情況下測(cè)試的結(jié)果，只有噪聲(noise)測(cè)試需要用到動(dòng)態(tài)負(fù)載。

2.1 Phase點(diǎn)的jitter

圖一

對(duì)于典型的PWM開關(guān)電源，如果phase點(diǎn)jitter太大，通常系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定（和后面提到的相位裕量相關(guān)），對(duì)于200~500K的PWM開關(guān)電源，典型的jitter值應(yīng)該在1ns以下。

2.2 Phase點(diǎn)的塌陷

有時(shí)候工程師測(cè)量到下面的波形，這是典型的電感飽和的現(xiàn)象。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的工程師，往往會(huì)忽略掉。電感飽和會(huì)讓電感值急劇下降，類似于短路了，這樣會(huì)造成電流的急劇增加，MOS管往往會(huì)因?yàn)闇囟鹊募眲≡黾佣鵁龤?。這時(shí)需要更換飽和電流更大的電感。

圖二

2.3 Shoot through測(cè)試

測(cè)試的目的是看上MOS管導(dǎo)通時(shí)，有沒(méi)有同時(shí)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(lán)色曲線（Vgs_Lmos）就是下管在上管導(dǎo)通的同時(shí)，被帶了起來(lái)，如果藍(lán)色曲線的被帶起來(lái)的尖峰超過(guò)了MOS管的Vth要求，同時(shí)持續(xù)時(shí)間（Duration）也超過(guò)了datasheet要求，從而就會(huì)有同時(shí)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，這是大家最常見到的情況。

圖三

下面這種情況有非常多的人會(huì)忽視，甚至是一些比較有經(jīng)驗(yàn)的電源測(cè)試工程師。下面組圖四是下管打開，上管關(guān)閉時(shí)候的波形（圖4-1是示意圖，圖4-2示實(shí)際測(cè)試圖）。雖然沒(méi)有被同時(shí)帶起的情況，但是請(qǐng)注意上下管有交叉的現(xiàn)象，而且交叉點(diǎn)的電平遠(yuǎn)高于MOS管規(guī)定的Vth值，這是個(gè)嚴(yán)重的shoot through現(xiàn)象。最直接的后果就是MOS管燒毀！

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(méi)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(zhǎng)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(shuō)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(wèn)題。

描述1電源的Noise測(cè)試通過(guò)，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(shuō)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(lái)就不穩(wěn)定。

Phase點(diǎn)jitter過(guò)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(méi)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(guò)測(cè)試呢？只有來(lái)來(lái)回回不停作實(shí)驗(yàn)。然后來(lái)來(lái)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(méi)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(lái)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(shuō)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(lái)是電源測(cè)試?yán)锩孀詈?jiǎn)單的項(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(guò) ，可以考慮進(jìn)一步減小ripple。

噪聲，有人會(huì)問(wèn)，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(méi)有用示波器做過(guò)FFT，看看同樣noise在頻域上的區(qū)別呢？