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示波器和AFG測(cè)試電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的案例

2022-02-11 10:55:54
示波器和AFG測(cè)試電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的案例
詳細(xì)介紹:

   負(fù)載瞬變測(cè)試是檢查功率轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)的一種快速方法,它可以反映出轉(zhuǎn)換器的調(diào)整速度,能將轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性問題凸顯出來。轉(zhuǎn)換器的負(fù)載調(diào)整特性、占空比極限、PCB布局問題和輸入電壓的穩(wěn)定性也可經(jīng)此測(cè)試快速顯現(xiàn)出來。

   許多現(xiàn)今的電子設(shè)備都包含了計(jì)算和無線連接功能,這些功能電路常常表現(xiàn)出很重的脈沖負(fù)載特性。面對(duì)這種快速變化的脈沖負(fù)載,全新的DC/DC轉(zhuǎn)換器需要具有快速的環(huán)路響應(yīng)特性來維持輸出電壓的穩(wěn)定。為了測(cè)試這種類型的轉(zhuǎn)換器,擁有能夠生成與終應(yīng)用類似的快速變化的負(fù)載的工具是很重要的。

1、應(yīng)用背景

   對(duì)于具有比較穩(wěn)定的負(fù)載的通用型DC/DC轉(zhuǎn)換器來說,快速的回路響應(yīng)特性是不需要的,因而也不必進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性的測(cè)試。但在把快速階躍變化的負(fù)載施加到一個(gè)穩(wěn)壓器上時(shí),必然在很寬的頻帶內(nèi)對(duì)調(diào)節(jié)回路造成沖擊,在某些情況下甚至可能逼迫它們運(yùn)行在控制回路的極限之下。

   通過將一個(gè)快速變化的階躍負(fù)載施加到一個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出端,再對(duì)其輸出電壓的響應(yīng)過程進(jìn)行分析,可讓我們快速而且容易地知道這個(gè)轉(zhuǎn)換器在面臨這樣的狀況時(shí)能否維持其輸出電壓的穩(wěn)定,同時(shí)也能凸顯出可能存在的環(huán)路穩(wěn)定性問題、電源供應(yīng)的穩(wěn)定性問題、斜坡補(bǔ)償問題、負(fù)載調(diào)節(jié)性能和PCB布局問題。

   圖1顯示了一個(gè)電流模式Buck轉(zhuǎn)換器在其負(fù)載發(fā)生1A快速跳變時(shí)典型的響應(yīng)過程,其輸出電壓正常值VOUT NOM = 3.3V。


示波器代理商


圖1. 電流模式Buck轉(zhuǎn)換器面對(duì)快速瞬變負(fù)載時(shí)的響應(yīng)


   電流模式轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載的階躍變化不能做出即時(shí)響應(yīng),所以,當(dāng)負(fù)載發(fā)生階躍變化的時(shí)候,供給負(fù)載的電流初是來源于輸出電容里的儲(chǔ)能。面對(duì)負(fù)載的快速跳變,輸出電容的ESR和ESL首先起作用,在輸出電壓上表現(xiàn)為一個(gè)不大的跳變和尖峰,然后才是輸出電容放電的開始,這將造成輸出電壓的下沉。

   輸出電壓的下降將被誤差放大器感知到,相應(yīng)地,這將導(dǎo)致VCOMP的上升,這又會(huì)增加開關(guān)Q1導(dǎo)通的占空比,電感電流因此增大以滿足負(fù)載增大了的需要。在此過程中,電壓下沉的幅度和恢復(fù)的時(shí)間將取決于多種因素:輸出電容的大小,負(fù)載電流跳變的幅度和它變化的速度dI/dt,誤差放大器的補(bǔ)償水平和整個(gè)控制回路的帶寬。

   拋開由ESR和ESL造成的尖峰來看,轉(zhuǎn)換器的階躍響應(yīng)過程在這個(gè)案例中看起來是非常平滑的,這表明此轉(zhuǎn)換器的表現(xiàn)是穩(wěn)健的。響應(yīng)過程中的電壓下沉幅度為75mV,相當(dāng)于輸出電壓的2.2%,這對(duì)大部分3.3V的電源供應(yīng)來說是可以接受的。需要注意的是,如果我們使用的輸出電容是低ESR的MLCC,由ESR所造成的跳變通常就看不出來。

2、可能影響轉(zhuǎn)換器面對(duì)負(fù)載階躍的響應(yīng)過程的情形大概有這些:

1. 不穩(wěn)定的控制回路:當(dāng)控制回路調(diào)整得不好時(shí),轉(zhuǎn)換器的控制作用可能過頭,快速負(fù)載階躍可能導(dǎo)致輸出電壓的顛簸或是存在振鈴現(xiàn)象,某些情況下甚至可能進(jìn)入振蕩狀態(tài)。

2. 不穩(wěn)定的電源供應(yīng):轉(zhuǎn)換器輸出端的負(fù)載跳變會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器輸入端的電源供應(yīng)器的負(fù)載跳變。假如電源供應(yīng)器的穩(wěn)定性不好,或者是與轉(zhuǎn)換器匹配得不好,則電源供應(yīng)器自身就可能振蕩起來,這必然會(huì)傳遞到轉(zhuǎn)換器的輸出端,看起來就像轉(zhuǎn)換器的控制回路不穩(wěn)定一樣。

3. 斜坡補(bǔ)償問題:電流模式轉(zhuǎn)換器采用斜坡補(bǔ)償方法避免高占空比應(yīng)用中可能出現(xiàn)的次諧波振蕩。為了讓斜坡補(bǔ)償工作正常,適當(dāng)程度的電感電流紋波是必須的。電感選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致不當(dāng)?shù)碾娏骷y波,并在遇到階躍負(fù)載時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定的次諧波。

4. 在占空比極限下工作:當(dāng)轉(zhuǎn)換器在靠近小/大占空比的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),負(fù)載的快速階躍變化將使轉(zhuǎn)換器觸及占空比的極限,這將導(dǎo)致輸出電壓下沉或上沖過度,某些時(shí)候甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)換器運(yùn)作在保護(hù)模式下。

5. PCB布局問題:假如由于PCB布局而造成的阻抗出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)環(huán)節(jié)和功率環(huán)節(jié)上,電壓的耗損和噪聲的耦合就會(huì)發(fā)生,這將劣化轉(zhuǎn)換器對(duì)階躍負(fù)載的響應(yīng)特性。假如負(fù)載處在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器的地方,多出來的路徑阻抗會(huì)在負(fù)載增加時(shí)導(dǎo)致電壓的下沉,劣化轉(zhuǎn)換器的負(fù)載調(diào)整性能。此外,當(dāng)負(fù)載發(fā)生跳變時(shí),路徑電感也能導(dǎo)致振鈴信號(hào)的出現(xiàn)。

   下圖顯示了一個(gè)3.3V / 3A轉(zhuǎn)換器負(fù)載階躍響應(yīng)較差和良好的例子。左邊的例子顯示調(diào)節(jié)器輸出電壓在負(fù)載暫態(tài)后出現(xiàn)嚴(yán)重的振鈴現(xiàn)象,說明控制回路具有邊際穩(wěn)定性。在大多數(shù)情況下,這與反饋回路補(bǔ)償結(jié)合輸出電容值有關(guān)。


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測(cè)試的實(shí)施(以客戶實(shí)測(cè)場(chǎng)景為例)


   客戶這邊之前的產(chǎn)品沒有測(cè)試過這個(gè)參數(shù),批量生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)后端MCU在現(xiàn)場(chǎng)大量過壓損壞。后更換DCDC芯片,廠商說不會(huì)有類似問題。但是客戶還是不放心,希望我們可以協(xié)助測(cè)量一下。

3、我們采用了如下的測(cè)試方案


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   一個(gè)受脈沖發(fā)生器控制其通/斷的MOSFET開關(guān)。MOSFET開關(guān)的切換速度可用其柵極的可選的RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié);MOSFET漏極連接的電阻R2可根據(jù)需要的動(dòng)態(tài)負(fù)載調(diào)節(jié)幅度進(jìn)行選擇;電阻R1用于設(shè)定負(fù)載階躍的靜態(tài)基點(diǎn)。負(fù)載電流的階躍變化可通過示波器電流探頭進(jìn)行測(cè)量,對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出電壓的測(cè)量則需要在輸出電容或是負(fù)載點(diǎn)上進(jìn)行。

使用AFG31252產(chǎn)生一個(gè)快速脈沖,AFG31252可以輕松產(chǎn)生4ns的上升或者下降邊沿。

我們的測(cè)試環(huán)境搭建完畢


示波器


   我們使用了這款DCDC的評(píng)估板,這是一款只到52V的耐壓的BUCK的開關(guān)穩(wěn)壓器,評(píng)估板很貼心的使用了BNC接口,方便我們對(duì)紋波和 Load Transient進(jìn)行測(cè)量。


示波器價(jià)格

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   我們看到,這顆芯片肯定做過非常特殊的處理。當(dāng)負(fù)載發(fā)生大幅度快速階躍時(shí)幾乎完全沒有電壓過沖發(fā)生。這一定是對(duì)于電壓敏感型負(fù)載特殊優(yōu)化過,這對(duì)于一些需要DCDC后面直接帶MCU這種對(duì)電壓要求很敏感的需求來說非常重要。

   我們打開波形,可以看到,得益于AFG31000系列的4ns的上升速度和TCP0030A高速電流探頭的120Mhz帶寬,得以觀測(cè)到,這個(gè)電流快沿時(shí)間速度高達(dá)1.6A/us !


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   這樣就夠了么?可以告訴客戶,放心用,不會(huì)再燒后端了。并沒有!

   通過手冊(cè)我們得知,由于這顆芯片支持多模式開關(guān)方式切換,為了可以在各種工作電流情況下都得到優(yōu)的效率。


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   所以我們還需要繼續(xù)測(cè)試在各種模式轉(zhuǎn)換過程中,是否存在過壓發(fā)生。


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4、結(jié)論

   經(jīng)過對(duì)于多種工況的負(fù)載條件測(cè)試,基本都沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的過壓情況發(fā)生,客戶看到后對(duì)這套儀器的性能非常滿意。我們通過這套組合,讓客戶一方面了解了這種需求的測(cè)試方式,另一方面輔助客戶更快、更可靠地實(shí)現(xiàn)快速量產(chǎn)。


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5、我司國產(chǎn)高性價(jià)比替代方案如下:


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