【導(dǎo)讀】在圖所示的示例中,一名初級(jí)工程師完全錯(cuò)誤地使用了一臺(tái)示波器。他的第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了一支帶長(zhǎng)接地引線的示波器探針;他的第二個(gè)錯(cuò)誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開(kāi)關(guān)元件附近;他的最后一個(gè)錯(cuò)誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問(wèn)題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。
在圖所示的示例中,一名初級(jí)工程師完全錯(cuò)誤地使用了一臺(tái)示波器。他的第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了一支帶長(zhǎng)接地引線的示波器探針;他的第二個(gè)錯(cuò)誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開(kāi)關(guān)元件附近;他的最后一個(gè)錯(cuò)誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問(wèn)題在紋波波形中表現(xiàn)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(hào)電壓和電流波形,其中包括耦合自電源變壓器的磁場(chǎng),耦合自開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng),以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。
圖 1 錯(cuò)誤的紋波測(cè)量得到的較差的測(cè)量結(jié)果
利用正確的測(cè)量方法可以大大地改善測(cè)得紋波結(jié)果。首先,通常使用帶寬限制來(lái)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(cè)量的示波器設(shè)定正確的帶寬限制。其次,通過(guò)取掉探針“帽”,并構(gòu)成一個(gè)拾波器(如圖2所示),我們可以消除由長(zhǎng)接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點(diǎn)周?chē)?,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(zhǎng)度,從而進(jìn)一步減少拾波。
最后,在隔離電源中,會(huì)產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)之間形成了壓降,從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問(wèn)題的出現(xiàn),我們就需要特別注意電源設(shè)計(jì)的共模濾波。另外,將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周?chē)灿兄谧钚』@種電流。這樣就形成了一個(gè)共模電感器,其在不影響差分電壓測(cè)量的同時(shí),還減少了共模電流引起的測(cè)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(jìn)的測(cè)量方法。這樣,高頻峰值就被真正地消除了。
圖 2 四個(gè)輕微的改動(dòng)便極大地改善了測(cè)量結(jié)果
實(shí)際上,集成到系統(tǒng)中以后,電源紋波性能甚至?xí)?。在電源和系統(tǒng)其他組件之間幾乎總是會(huì)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?chē)偸菚?huì)存在額外的旁路電容,它們就是電源的負(fù)載。這二者共同構(gòu)成一個(gè)低通濾波器,進(jìn)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(shí)流經(jīng) 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導(dǎo)體時(shí),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(huì)得到極大降低。許多情況下,該濾波器的截止頻率會(huì)在電源紋波頻率以下,從而有可能大大降低紋波。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師應(yīng)該能夠找到在其測(cè)試過(guò)程中如何運(yùn)用這種方法的途徑。
電源輸出紋波簡(jiǎn)介
理想狀態(tài)時(shí),電源輸出的直流電壓應(yīng)為一固定值, 但是很多時(shí)候它是通過(guò)交流電壓整流、濾波后得來(lái)的,或多或少會(huì)有剩余的交流成分,這種包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)我們稱之為紋波。較大的紋波會(huì)影響CPU與GPU正常工作,這個(gè)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(guò)120毫伏,+3.3V與+5V紋波不得超過(guò)50毫伏,這個(gè)量對(duì)于大多品牌電源是非常寬裕的,筆者測(cè)試過(guò)的絕大多數(shù)電源都不會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值,但幾乎所有山寨電源在滿載時(shí)紋波都會(huì)超標(biāo),內(nèi)部用料設(shè)計(jì)可想而知。
其實(shí),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(dòng)頻率十分高時(shí),往往會(huì)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(duì)一樣的。
Intel ATX12V 2.31對(duì)電源紋波的規(guī)定
● PBzone輸出紋波測(cè)試設(shè)定
電源每路輸出負(fù)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(huì)超標(biāo)的,所以我們記錄三種狀態(tài)下的紋波:100%負(fù)載、+12V聯(lián)合輸出滿載、+3.3V輸出滿載,+5V輸出滿載。在測(cè)試三路輸出滿載時(shí),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(cè)試紋波使用的數(shù)字示波器
圖4 +12V紋波記錄截圖
紋波測(cè)試結(jié)果其實(shí)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(qǐng)大家單擊一張圖放大,會(huì)發(fā)現(xiàn)圖的最下面一行有兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于Intel規(guī)定的120mV,所以測(cè)試結(jié)果可以說(shuō)非常優(yōu)秀。
電子器件的電源測(cè)量通常情況是指開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量(當(dāng)然還有線性電源)。講述開(kāi)關(guān)電源的資料非常多,本文討論的內(nèi)容為PWM開(kāi)關(guān)電源,而且僅僅是作為測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),為大家簡(jiǎn)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(duì)于開(kāi)關(guān)電源有一定的了解。
1 開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)述
開(kāi)關(guān)電源(Switching Mode Power Supply,常常簡(jiǎn)化為SMPS),是一種高頻電能轉(zhuǎn)換裝置。其功能是將電壓透過(guò)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(kāi)關(guān)電源的拓?fù)渲搁_(kāi)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(wú)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(méi)有隔離措施,常見(jiàn)的DC/DC變換器大多是這種類(lèi)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(guò)電磁變換方式進(jìn)行能量傳遞,輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。
對(duì)于開(kāi)關(guān)變換器來(lái)說(shuō),只有三種基本拓?fù)湫问?,即?/div>
Buck(降壓)
Boost(升壓)
Buck-Boost(升降壓)
三種基本拓?fù)湫问剑请姼械倪B接方式?jīng)Q定。若電感放置于輸出端,則為Buck拓?fù)洌浑姼蟹胖糜谳斎攵?,則是Boost拓?fù)?。?dāng)電感連接到地時(shí),就是Buck-Boost拓?fù)洹?/div>
2 容易引發(fā)系統(tǒng)失效的關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試
以下的測(cè)試項(xiàng)目除了是指在靜態(tài)負(fù)載的情況下測(cè)試的結(jié)果,只有噪聲(noise)測(cè)試需要用到動(dòng)態(tài)負(fù)載。
2.1 Phase點(diǎn)的jitter
圖一
對(duì)于典型的PWM開(kāi)關(guān)電源,如果phase點(diǎn)jitter太大,通常系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定(和后面提到的相位裕量相關(guān)),對(duì)于200~500K的PWM開(kāi)關(guān)電源,典型的jitter值應(yīng)該在1ns以下。
2.2 Phase點(diǎn)的塌陷
有時(shí)候工程師測(cè)量到下面的波形,這是典型的電感飽和的現(xiàn)象。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的工程師,往往會(huì)忽略掉。電感飽和會(huì)讓電感值急劇下降,類(lèi)似于短路了,這樣會(huì)造成電流的急劇增加,MOS管往往會(huì)因?yàn)闇囟鹊募眲≡黾佣鵁龤?。這時(shí)需要更換飽和電流更大的電感。
圖二
2.3 Shoot through測(cè)試
測(cè)試的目的是看上MOS管導(dǎo)通時(shí),有沒(méi)有同時(shí)把下管打開(kāi),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(lán)色曲線(Vgs_Lmos)就是下管在上管導(dǎo)通的同時(shí),被帶了起來(lái),如果藍(lán)色曲線的被帶起來(lái)的尖峰超過(guò)了MOS管的Vth要求,同時(shí)持續(xù)時(shí)間(Duration)也超過(guò)了datasheet要求,從而就會(huì)有同時(shí)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然,這是大家最常見(jiàn)到的情況。
圖三
下面這種情況有非常多的人會(huì)忽視,甚至是一些比較有經(jīng)驗(yàn)的電源測(cè)試工程師。下面組圖四是下管打開(kāi),上管關(guān)閉時(shí)候的波形(圖4-1是示意圖,圖4-2示實(shí)際測(cè)試圖)。雖然沒(méi)有被同時(shí)帶起的情況,但是請(qǐng)注意上下管有交叉的現(xiàn)象,而且交叉點(diǎn)的電平遠(yuǎn)高于MOS管規(guī)定的Vth值,這是個(gè)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(méi)有測(cè)試的項(xiàng)目(尤其是規(guī)模較小的公司受限于儀器),但是這卻是個(gè)非常重要的測(cè)試項(xiàng)目。電源系統(tǒng)是否穩(wěn)定,是否能長(zhǎng)時(shí)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(shuō)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(jì)方案里的推薦值,但是跟你的設(shè)計(jì)往往有不小的差異,這樣會(huì)有很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
如果系統(tǒng)是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng),反映在一些電源測(cè)試項(xiàng)目里面,會(huì)看到以下幾個(gè)主要問(wèn)題。
描述1電源的Noise測(cè)試通過(guò),但是電源依然不穩(wěn)定。表現(xiàn)為功能測(cè)試fail。常常有工程師在debug時(shí)說(shuō)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(dòng)呢?其實(shí)是他的閉環(huán)系統(tǒng)本來(lái)就不穩(wěn)定。
Phase點(diǎn)jitter過(guò)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(duì)于低成本產(chǎn)品,這可是要錢(qián)的啊。
如果你沒(méi)有用正確的方法測(cè)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(xiàng)目讓他通過(guò)測(cè)試呢?只有來(lái)來(lái)回回不停作實(shí)驗(yàn)。然后來(lái)來(lái)回回跑功能測(cè)試。Oh, my god, 浩大的工作量。而且,對(duì)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(méi)有變化)。
這些電容的容值會(huì)隨著時(shí)間變化而減少。如MLCC,系統(tǒng)運(yùn)行在正常溫度兩年~三年,容值會(huì)變到原來(lái)的一半。而這一半電容的變化,會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成很大的影響,這也是為什么很多低價(jià)的產(chǎn)品質(zhì)量不可靠的一個(gè)重要原因。那是不是說(shuō)價(jià)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(cè)試phase margin的原因。你需要調(diào)試一組合理的值,能夠同時(shí)覆蓋全電容以及半電容的要求。這樣同樣能做到低價(jià)格高品質(zhì)。
根據(jù)奈奎斯特定理對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求,規(guī)范要求一個(gè)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(duì)于帶寬,200~500K的開(kāi)關(guān)電源的要求在10%~30%的開(kāi)關(guān)頻率。從開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性看帶寬越低,電源越容易穩(wěn)定。從開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)指標(biāo)看,帶寬越高電源的動(dòng)態(tài)性能越好。
下圖五為典型的波特圖:
圖五
另外一點(diǎn)非常重要的是,除了PWM開(kāi)關(guān)電源,有很多線性電源(LDO),其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在芯片外部的,也要做類(lèi)似的環(huán)路增益的波特圖測(cè)試,從而確保其穩(wěn)定性。LDO的測(cè)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(huì)直接測(cè)量noise完事。
圖六
我們有可能會(huì)看到的相位裕量不能達(dá)到要求。如下圖七,只有30度左右。這個(gè)時(shí)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(lái)是電源測(cè)試?yán)锩孀詈?jiǎn)單的項(xiàng)目。但是也有可能對(duì)你的測(cè)試結(jié)果和功能有比較大的影響。
首先是紋波,我們測(cè)試的時(shí)候,只是看是不是符合規(guī)范要求,比如30mV等等。有些時(shí)候,紋波和系統(tǒng)的PLL是有關(guān)系的。如果你的PLL jitter不過(guò) ,可以考慮進(jìn)一步減小ripple。
噪聲,有人會(huì)問(wèn),為啥我的系統(tǒng)noise和他的系統(tǒng)noise基本是一個(gè)范圍,但是我的系統(tǒng)會(huì)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(méi)有用示波器做過(guò)FFT,看看同樣noise在頻域上的區(qū)別呢?
推薦閱讀:
重磅丨慕展2021戰(zhàn)略正式啟動(dòng),productronica China規(guī)模將擴(kuò)大100%
CIAIE 2020第十屆上海國(guó)際汽車(chē)內(nèi)外飾展招商工作正式啟動(dòng)
2020第三屆上海國(guó)際汽車(chē)智能座艙技術(shù)創(chuàng)新展覽會(huì)揚(yáng)帆起航
第二屆廣州軍民兩用技術(shù)裝備成果交易會(huì)邀請(qǐng)函
【重磅】《100個(gè)成功案例Ⅲ》正式推出,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)刷直流電機(jī)、毫米波雷達(dá)傳感器等大批量產(chǎn)方案掀起新一輪應(yīng)用熱
重磅丨慕展2021戰(zhàn)略正式啟動(dòng),productronica China規(guī)模將擴(kuò)大100%
CIAIE 2020第十屆上海國(guó)際汽車(chē)內(nèi)外飾展招商工作正式啟動(dòng)
2020第三屆上海國(guó)際汽車(chē)智能座艙技術(shù)創(chuàng)新展覽會(huì)揚(yáng)帆起航
第二屆廣州軍民兩用技術(shù)裝備成果交易會(huì)邀請(qǐng)函
【重磅】《100個(gè)成功案例Ⅲ》正式推出,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)刷直流電機(jī)、毫米波雷達(dá)傳感器等大批量產(chǎn)方案掀起新一輪應(yīng)用熱
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 貿(mào)澤電子持續(xù)擴(kuò)充工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品陣容
- 更高精度、更低噪音 GMCC美芝電子膨脹閥以創(chuàng)新?lián)屨夹袠I(yè)“制高點(diǎn)”
- 本立租完成近億元估值Pre-A輪融資,打造AI賦能的租賃服務(wù)平臺(tái)
- 中微公司成功從美國(guó)國(guó)防部中國(guó)軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書(shū):滿足歐盟無(wú)線電設(shè)備指令(RED)信息安全標(biāo)準(zhǔn)
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
晶體諧振器
晶體振蕩器
晶閘管
精密電阻
精密工具
景佑能源
聚合物電容
君耀電子
開(kāi)發(fā)工具
開(kāi)關(guān)
開(kāi)關(guān)電源
開(kāi)關(guān)電源電路
開(kāi)關(guān)二極管
開(kāi)關(guān)三極管
科通
可變電容
可調(diào)電感
可控硅
空心線圈
控制變壓器
控制模塊
藍(lán)牙
藍(lán)牙4.0
藍(lán)牙模塊
浪涌保護(hù)器
雷度電子
鋰電池
利爾達(dá)
連接器
流量單位