圖 1 錯誤的紋波測量得到的較差的測量結(jié)果

 

利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結(jié)果。首先，通常使用帶寬限制來規(guī)定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應(yīng)該為用于測量的示波器設(shè)定正確的帶寬限制。其次，通過取掉探針“帽”，并構(gòu)成一個拾波器（如圖2所示），我們可以消除由長接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點周圍，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度，從而進一步減少拾波。

 

最后，在隔離電源中，會產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問題的出現(xiàn)，我們就需要特別注意電源設(shè)計的共模濾波。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。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少了共模電流引起的測量誤差。圖2顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。
 

 

圖 2 四個輕微的改動便極大地改善了測量結(jié)果

 

實際上，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，在芯片周圍總是會存在額外的旁路電容，它們就是電源的負載。這二者共同構(gòu)成一個低通濾波器，進一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時流經(jīng) 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導(dǎo)體時，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得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經(jīng)驗豐富的工程師應(yīng)該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法的途徑。

 

電源輸出紋波簡介

 

理想狀態(tài)時，電源輸出的直流電壓應(yīng)為一固定值， 但是很多時候它是通過交流電壓整流、濾波后得來的，或多或少會有剩余的交流成分，這種包含周期性與隨機性成分的雜波信號我們稱之為紋波。較大的紋波會影響CPU與GPU正常工作，這個數(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120毫伏，+3.3V與+5V紋波不得超過50毫伏，這個量對于大多品牌電源是非常寬裕的，筆者測試過的絕大多數(shù)電源都不會超過這個數(shù)值，但幾乎所有山寨電源在滿載時紋波都會超標(biāo)，內(nèi)部用料設(shè)計可想而知。

 

其實，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)聲音震動頻率十分高時，往往會出現(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)情況是相對一樣的。

 

Intel ATX12V 2.31對電源紋波的規(guī)定

 

 

● PBzone輸出紋波測試設(shè)定

 

電源每路輸出負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超標(biāo)的，所以我們記錄三種狀態(tài)下的紋波：100%負載、+12V聯(lián)合輸出滿載、+3.3V輸出滿載，+5V輸出滿載。在測試三路輸出滿載時，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 測試紋波使用的數(shù)字示波器

 

圖4 +12V紋波記錄截圖

 

紋波測試結(jié)果其實不難看懂，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。請大家單擊一張圖放大，會發(fā)現(xiàn)圖的最下面一行有兩個數(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,遠遠小于Intel規(guī)定的120mV，所以測試結(jié)果可以說非常優(yōu)秀。

 

電子器件的電源測量通常情況是指開關(guān)電源的測量（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，而且僅僅是作為測試經(jīng)驗的總結(jié)，為大家簡述容易引起系統(tǒng)失效的一些因素。因此，在閱讀本文之前，已經(jīng)假定您對于開關(guān)電源有一定的了解。

 

1 開關(guān)電源簡述

 

開關(guān)電源（Switching Mode Power Supply，常常簡化為SMPS），是一種高頻電能轉(zhuǎn)換裝置。其功能是將電壓透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。

 

開關(guān)電源的拓撲指開關(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(lián)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(guān)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?jīng)Q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(dāng)電感連接到地時，就是Buck-Boost拓撲。

 

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

 

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

 

2.1 Phase點的jitter

 

圖一

 

對于典型的PWM開關(guān)電源，如果phase點jitter太大，通常系統(tǒng)會不穩(wěn)定（和后面提到的相位裕量相關(guān)），對于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(xiàn)象。對于經(jīng)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(dǎo)通時，有沒有同時把下管打開，從而導(dǎo)致電源直接導(dǎo)通到地而引起短路。如圖三所示藍色曲線（Vgs_Lmos）就是下管在上管導(dǎo)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(xù)時間（Duration）也超過了datasheet要求，從而就會有同時導(dǎo)通的風(fēng)險。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忽視，甚至是一些比較有經(jīng)驗的電源測試工程師。下面組圖四是下管打開，上管關(guān)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(xiàn)象，而且交叉點的電平遠高于MOS管規(guī)定的Vth值，這是個嚴(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

 

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(guī)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(tǒng)是否穩(wěn)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(shè)計方案里的推薦值，但是跟你的設(shè)計往往有不小的差異，這樣會有很大的潛在風(fēng)險。

 

如果系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，反映在一些電源測試項目里面，會看到以下幾個主要問題。

 

描述1電源的Noise測試通過，但是電源依然不穩(wěn)定。表現(xiàn)為功能測試fail。常常有工程師在debug時說我的電源noise已經(jīng)很小了，加了很多電容了，為啥還是跑不動呢？其實是他的閉環(huán)系統(tǒng)本來就不穩(wěn)定。

Phase點jitter過大。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。對于低成本產(chǎn)品，這可是要錢的啊。

 

如果你沒有用正確的方法測試出系統(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(chǎn)品，往往用到了鋁電解電容，MLCC電容等低成本方案（電感，電阻值基本沒有變化）。

 

這些電容的容值會隨著時間變化而減少。如MLCC，系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定造成很大的影響，這也是為什么很多低價的產(chǎn)品質(zhì)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(dāng)然不是。這就是為啥要測試phase margin的原因。你需要調(diào)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(zhì)。

 

根據(jù)奈奎斯特定理對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，規(guī)范要求一個閉環(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)電源的動態(tài)指標(biāo)看，帶寬越高電源的動態(tài)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(guān)電源，有很多線性電源(LDO)，其補償網(wǎng)絡(luò)在芯片外部的，也要做類似的環(huán)路增益的波特圖測試，從而確保其穩(wěn)定性。LDO的測試，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(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，看起來是電源測試?yán)锩孀詈唵蔚捻椖俊５且灿锌赡軐δ愕臏y試結(jié)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(guī)范要求，比如30mV等等。有些時候，紋波和系統(tǒng)的PLL是有關(guān)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(tǒng)noise和他的系統(tǒng)noise基本是一個范圍，但是我的系統(tǒng)會跑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，你有沒有用示波器做過FFT，看看同樣noise在頻域上的區(qū)別呢？