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電源相關的測試
分類:技術資料   日期:2017-06-15   來源:網絡

電源相關的測試

北京单场半全场sp值 www.lcrmpd.com.cn 在圖所示的示例中,一名初級工程師完全錯誤地使用了一臺示波器。他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針;他的第二個錯誤是將探針形成的環路和接地引線均置于電源變壓器和開關元件附近;他的最后一個錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現為高頻拾取。在電源中,存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形,其中包括耦合自電源變壓器的磁場,耦合自開關節點的電場,以及由變壓器互繞電容產生的共模電流。


圖 1 錯誤的紋波測量得到的較差的測量結果

  利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結果。首先,通常使用帶寬限制來規定紋波,以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限制。其次,通過取掉探針“帽”,并構成一個拾波器(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,會產生大量流經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,從而表現為紋波。要防止這一問題的出現,我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。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果

  實際上,集成到系統中以后,電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統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 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導體時,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。經驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法的途徑?! 〉繚詞涑鑫撇蚪?/p>

  理想狀態時,電源輸出的直流電壓應為一固定值, 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,這個數值越小越好。

  ● 判定紋波的標準

  Intel在ATX12V 2.31規范中規定+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??碓5?,筆者測試過的絕大多數電源都不會超過這個數值,但幾乎所有山寨電源在滿載時紋波都會超標,內部用料設計可想而知。

  其實,我們完全可以把電源的紋波圖案和聲音的波譜聯系到一起。當聲音震動頻率十分高時,往往會出現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情況是相對一樣的。

Intel ATX12V 2.31對電源紋波的規定


  ● PBzone輸出紋波測試設定

  電源每路輸出負載的紋波值與該路的電流值有很大關系,一般電源在輕載下紋波是絕不會超標的,所以我們記錄三種狀態下的紋波:100%負載、+12V聯合輸出滿載、+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稱滿載,另外兩路的電流均設定為2A。


圖3 測試紋波使用的數字示波器


圖4 +12V紋波記錄截圖

  紋波測試結果其實不難看懂,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果。請大家單擊一張圖放大,會發現圖的最下面一行有兩個數值,縱向分度值20.0mV,和橫向分度值10.0us。我們只需要關注mV這個數值,20.0mV代表Y軸網格每一格等于20mV,第一張圖的波峰與波谷相隔大致一個網格,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規定的120mV,所以測試結果可以說非常優秀。



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

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。


  • 描述1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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