工程師細談：PWM開關電源測試經驗總結

來源：電子技術設計 作者：秩名2015年03月13日 16:33

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[導讀] 本文討論的內容為PWM開關電源，而且僅僅是作為測試經驗的總結，為大家簡述容易引起系統失效的一些因素。因此，在閱讀本文之前，已經假定您對于開關電源有一定的了解。

關鍵詞：開關電源測試

　　電子器件的電源測量通常情況是指開關電源的測量（當然還有線性電源）。講述開關電源的資料非常多，本文討論的內容為PWM開關電源，而且僅僅是作為測試經驗的總結，為大家簡述容易引起系統失效的一些因素。因此，在閱讀本文之前，已經假定您對于開關電源有一定的了解。

　　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。

　　2 、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。

　　2.1 Phase點的jitter

　　圖一

　　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。

　　2.2 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。

　　圖二

　　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。

　　圖三

　　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！

　　圖4-1

　　圖4-2

　　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（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phase 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：

　　圖五

　　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。

　　圖六

　　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。

　　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noise和他的系統noise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noise在頻域上的區別呢？

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