文章摘要
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(wèn)題凸顯出來(lái)。轉(zhuǎn)換器的負(fù)載調(diào)整特性、占空比極限、PCB布局問(wèn)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(lái)。
許多現(xiàn)今的電子設(shè)備都包含了計(jì)算和無(wú)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(lái)維持輸出電壓的穩(wěn)定。為了測(cè)試這種類型的轉(zhuǎn)換器，擁有能夠生成與最終應(yīng)用類似的快速變化的負(fù)載的工具是很重要的。
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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(wèn)題、電源供應(yīng)的穩(wěn)定性問(wèn)題、斜坡補(bǔ)償問(wèn)題、負(fù)載調(diào)節(jié)性能和PCB布局問(wèn)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(guò)程，其輸出電壓正常值VOUT NOM = 3.3V。
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)載的電流最初是來(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)由ESR和ESL造成的尖峰來(lái)看，轉(zhuǎn)換器的階躍響應(yīng)過(guò)程在這個(gè)案例中看起來(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)。
可能影響轉(zhuǎn)換器面對(duì)負(fù)載階躍的響應(yīng)過(guò)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(guò)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(lái)，這必然會(huì)傳遞到轉(zhuǎn)換器的輸出端，看起來(lái)就像轉(zhuǎn)換器的控制回路不穩(wěn)定一樣。
3. 斜坡補(bǔ)償問(wèn)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)換器在靠近最小/最大占空比的狀態(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(guò)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(wèn)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(lái)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(shuō)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)。
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(méi)有測(cè)試過(guò)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(guò)壓損壞。后更換DCDC芯片，廠商說(shuō)絕對(duì)不會(huì)有類似問(wèn)題。但是客戶還是不放心，希望我們可以協(xié)助測(cè)量一下。
我們采用了如下的測(cè)試方案
一個(gè)受脈沖發(fā)生器控制其通/斷的MOSFET開(kāi)關(guān)。MOSFET開(kāi)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(guò)示波器的電流探頭進(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
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(kāi)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。
我們看到，這顆芯片肯定做過(guò)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(méi)有電壓過(guò)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(guò)，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(lái)說(shuō)非常重要。
我們打開(kāi)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 !
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(méi)有！
通過(guò)手冊(cè)我們得知，由于這顆芯片支持多模式開(kāi)關(guān)方式切換，為了可以在各種工作電流情況下都得到最優(yōu)的效率。
所以我們還需要繼續(xù)測(cè)試在各種模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，是否存在過(guò)壓發(fā)生。
結(jié)論
經(jīng)過(guò)對(duì)于多種工況的負(fù)載條件測(cè)試，基本都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)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(guò)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)。
