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电源相关的测试
分类:技术应用   日期:2017-06-15   来源:网络

电源相关的测试

在图所示的示例中,一名初级工程师完全错误地使用了一台示波器。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针;他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近;他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中,存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形,其中包括耦合自电源变压器的磁场,耦合自开关节点的电场,以及由变压器互绕电容产生的共模电流。


图 1 错误的纹波测量得到的较差的测量结果

  利用正确的测量方法可以大大地改善测得纹波结果。首先,通常使用带宽限制来规定纹波,以防止拾取并非真正存在的高频噪声。我们应该为用于测量的示波器设定正确的带宽限制。其次,通过取掉探针“帽”,并构成一个拾波器(如图 2 所示),我们可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围,并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度,从而进一步减少拾波。

  最后,在隔离电源中,会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降,从而表现为纹波。要防止这一问题的出现,我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外,将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器,其在不影响差分电压测量的同时,还减少了共模电流引起的测量误差。图 2 显示了该完全相同电路的纹波电压,其使用了改进的测量方法。这样,高频峰值就被真正地消除了。


图 2 四个轻微的改动便极大地改善了测量结果

  实际上,集成到系统中以后,电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感。这种电感可能存在于布线中,抑或只有蚀刻存在于 PWB 上。另外,在芯片周围总是会存在额外的旁路电容,它们就是电源的负载。这二者共同构成一个低通滤波器,进一步降低了电源纹波和/或高频噪声。在极端情况下,电流短时流经 15 nH 电感和 10 μF 旁路电容的一英寸导体时,该滤波器的截止频率为 400 kHz。这种情况下,就意味着高频噪声将会得到极大降低。许多情况下,该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下,从而有可能大大降低纹波。经验丰富的工程师应该能够找到在其测试过程中如何运用这种方法的途径。  电源输出纹波简介

  理想状态时,电源输出的直流电压应为一固定值, 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的,或多或少会有剩余的交流成分,这种包含周期性与随机性成分的杂波信号我们称之为纹波。较大的纹波会影响CPU与GPU正常工作,这个数值越小越好。

  ● 判定纹波的标准

  Intel在ATX12V 2.31规范中规定+12V输出纹波不得超过120毫伏,+3.3V与+5V纹波不得超过50毫伏,这个量对于大多品牌电源是非常宽裕的,笔者测试过的绝大多数电源都不会超过这个数值,但几乎所有山寨电源在满载时纹波都会超标,内部用料设计可想而知。

  其实,我们完全可以把电源的纹波图案和声音的波谱联系到一起。当声音震动频率十分高时,往往会出现声音波谱杂乱甚至高低偏离十分明显的情况。这和电源纹波中的表现情况是相对一样的。

Intel ATX12V 2.31对电源纹波的规定


  ● PBzone输出纹波测试设定

  电源每路输出负载的纹波值与该路的电流值有很大关系,一般电源在轻载下纹波是绝不会超标的,所以我们记录三种状态下的纹波:100%负载、+12V联合输出满载、+3.3V输出满载,+5V输出满载。在测试三路输出满载时,我们把其中一路按照铭牌标称满载,另外两路的电流均设定为2A。


图3 测试纹波使用的数字示波器


图4 +12V纹波记录截图

  纹波测试结果其实不难看懂,上面两张图分别是高频与低频的截图,两种纹波值相加即为最终结果。请大家单击一张图放大,会发现图的最下面一行有两个数值,纵向分度值20.0mV,和横向分度值10.0us。我们只需要关注mV这个数值,20.0mV代表Y轴网格每一格等于20mV,第一张图的波峰与波谷相隔大致一个网格,就意味着10.0us的高频纹波峰-峰值大约是20mV*1=20mV。此外还要注意代表低频的10.0ms,即右图,右图中除去毛刺后的高频纹波峰-峰值大约是1个网格即20.0mV。高频与低频相加即为该路输出的纹波值,两者相加为40mV,远远小于Intel规定的120mV,所以测试结果可以说非常优秀。



电子器件的电源测量通常情况是指开关电源的测量(当然还有线性电源)。讲述开关电源的资料非常多,本文讨论的内容为PWM开关电源,而且仅仅是作为测试经验的总结,为大家简述容易引起系统失效的一些因素。因此,在阅读本文之前,已经假定您对于开关电源有一定的了解。

1 开关电源简述

开关电源(Switching Mode Power Supply,常常简化为SMPS),是一种高频电能转换装置。其功能是将电压透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。

开关电源的拓扑指开关电源电路的构成形式。一般是根据输出地线与输入地线有无电气隔离,分为隔离及非隔离变换器。非隔离即输入端与输出端相通,没有隔离措施,常见的DC/DC变换器大多是这种类型。所谓隔离是指输入端与输出端在电路上不是直接联通的,使用隔离变压器通过电磁变换方式进行能量传递,输入端和输出端之间是完全电气隔离的。

对于开关变换器来说,只有三种基本拓扑形式,即:

  • Buck(降压)

  • Boost(升压)

  • Buck-Boost(升降压)

三种基本拓扑形式,是电感的连接方式决定。若电感放置于输出端,则为Buck拓扑;电感放置于输入端,则是Boost拓扑。当电感连接到地时,就是Buck-Boost拓扑。

2 容易引发系统失效的关键参数测试

以下的测试项目除了是指在静态负载的情况下测试的结果,只有噪声(noise)测试需要用到动态负载。

2.1 Phase点的jitter


图一

对于典型的PWM开关电源,如果phase点jitter太大,通常系统会不稳定(和后面提到的相位裕量相关),对于200~500K的PWM开关电源,典型的jitter值应该在1ns以下。

2.2 Phase点的塌陷

有时候工程师测量到下面的波形,这是典型的电感饱和的现象。对于经验不够丰富的工程师,往往会忽略掉。电感饱和会让电感值急剧下降,类似于短路了,这样会造成电流的急剧增加,MOS管往往会因为温度的急剧增加而烧毁。这时需要更换饱和电流更大的电感。


图二

2.3 Shoot through测试

测试的目的是看上MOS管导通时,有没有同时把下管打开,从而导致电源直接导通到地而引起短路。如图三所示蓝色曲线(Vgs_Lmos)就是下管在上管导通的同时,被带了起来,如果蓝色曲线的被带起来的尖峰超过了MOS管的Vth要求,同时持续时间(Duration)也超过了datasheet要求,从而就会有同时导通的风险。当然,这是大家最常见到的情况。


图三

下面这种情况有非常多的人会忽视,甚至是一些比较有经验的电源测试工程师。下面组图四是下管打开,上管关闭时候的波形(图4-1是示意图,图4-2示实际测试图)。虽然没有被同时带起的情况,但是请注意上下管有交叉的现象,而且交叉点的电平远高于MOS管规定的Vth值,这是个严重的shoot through现象。最直接的后果就是MOS管烧毁!


图4-1


图4-2

组图四


2.4 相位裕量和带宽 (phase margin and bandwidth)

相位裕量和带宽是很多公司都没有测试的项目(尤其是规模较小的公司受限于仪器),但是这却是个非常重要的测试项目。电源系统是否稳定,是否能长时间(3年或以上)有效工作,相位裕量和带宽可以在很大程度上说起了决定性的作用。很多公司完全依赖于电源芯片厂家给的参考设计方案里的推荐值,但是跟你的设计往往有不小的差异,这样会有很大的潜在风险。

如果系统是一个不稳定的系统,反映在一些电源测试项目里面,会看到以下几个主要问题。


  • 描述1电源的Noise测试通过,但是电源依然不稳定。表现为功能测试fail。常常有工程师在debug时说我的电源noise已经很小了,加了很多电容了,为啥还是跑不动呢?其实是他的闭环系统本来就不稳定。

  • Phase点jitter过大。这是比较典型的不稳定现象。

  • 瞬态响应(Transient response)太大。最笨的办法就是加很多电容,去满足瞬态响应的要求。对于低成本产品,这可是要钱的啊。

如果你没有用正确的方法测试出系统的环路增益的波特图,那么你如何下手去调试这些项目让他通过测试呢?只有来来回回不停作实验。然后来来回回跑功能测试。Oh, my god, 浩大的工作量。而且,对于一些低成本的产品,往往用到了铝电解电容,MLCC电容等低成本方案(电感,电阻值基本没有变化)。这些电容的容值会随着时间变化而减少。如MLCC,系统运行在正常温度两年~三年,容值会变到原来的一半。而这一半电容的变化,会对系统的稳定造成很大的影响,这也是为什么很多低价的产品质量不可靠的一个重要原因。那是不是说价格越高,用越多的电容就越好呢,当然不是。这就是为啥要测试phase margin的原因。你需要调试一组合理的值,能够同时覆盖全电容以及半电容的要求。这样同样能做到低价格高品质。


根据奈奎斯特定理对系统稳定性要求,规范要求一个闭环系统的相位裕量最少为60度,45~60度可以考虑为最低限额要求。对于带宽,200~500K的开关电源的要求在10%~30%的开关频率。从开关电源的稳定性看带宽越低,电源越容易稳定。从开关电源的动态指标看,带宽越高电源的动态性能越好。

下图五为典型的波特图:


图五

另外一点非常重要的是,除了PWM开关电源,有很多线性电源(LDO),其补偿网络在芯片外部的,也要做类似的环路增益的波特图测试,从而确保其稳定性。LDO的测试,是绝大多数厂家容易忽略掉的。比如如下图六所示这种电路,很多人会直接测量noise完事。


图六

我们有可能会看到的相位裕量不能达到要求。如下图七,只有30度左右。这个时候,只有调试不同的参数,才能得到比较好的结果。从而满足系统稳定性的要求。


图七

2.5 电源纹波(ripple)和噪声(noise)

电源纹波和噪声,看起来是电源测试里面最简单的项目。但是也有可能对你的测试结果和功能有比较大的影响。

首先是纹波,我们测试的时候,只是看是不是符合规范要求,比如30mV等等。有些时候,纹波和系统的PLL是有关系的。如果你的PLL jitter不过 ,可以考虑进一步减小ripple。

噪声,有人会问,为啥我的系统noise和他的系统noise基本是一个范围,但是我的系统会跑fail呢?首先我们要排除前面讲的系统稳定性原因,然后,亲,你有没有用示波器做过FFT,看看同样noise在频域上的区别呢?

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