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(gè)錯誤是使用了一支帶長(cháng)接地引線(xiàn)的示波器探針；他的第二個(gè)錯誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線(xiàn)均置于直流開(kāi)關(guān)電源變壓器和開(kāi)關(guān)元件附近；他的最后一個(gè)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(wèn)題在紋波波形中表現為高頻拾取。在直流開(kāi)關(guān)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，其中包括耦合自直流開(kāi)關(guān)電源變壓器的磁場(chǎng)，耦合自開(kāi)關(guān)節點(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(lái)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(guò)取掉探針“帽”，并構成一個(gè)拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長(cháng)接地引線(xiàn)形成的天線(xiàn)。將一小段線(xiàn)纏繞在探針接地連接點(diǎn)周?chē)?，并將該接地連接至直流開(kāi)關(guān)電源。這樣做可以縮短暴露于直流開(kāi)關(guān)電源附近高電磁輻射的端頭長(cháng)度，從而進(jìn)一步減少拾波。
最后，在隔離直流開(kāi)關(guān)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。這就在直流開(kāi)關(guān)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，從而表現為紋波。要防止這一問(wèn)題的出現，我們就需要特別注意直流開(kāi)關(guān)電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線(xiàn)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量的同時(shí)，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(jìn)的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。
實(shí)際上，集成到系統中以后，直流開(kāi)關(guān)電源紋波性能甚至會(huì )更好。在直流開(kāi)關(guān)電源和系統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(xiàn)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，它們就是直流開(kāi)關(guān)電源的負載。這二者共同構成一個(gè)低通濾波器，進(jìn)一步降低了直流開(kāi)關(guān)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體時(shí)，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著(zhù)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 )在直流開(kāi)關(guān)電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經(jīng)驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過(guò)程中如何運用這種方法的途徑?！ ≈绷鏖_(kāi)關(guān)電源輸出紋波簡(jiǎn)介
理想狀態(tài)時(shí)，直流開(kāi)關(guān)電源輸出的直流電壓應為一固定值， 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性成分的雜波信號我們稱(chēng)之為紋波。較大的紋波會(huì )影響CPU與GPU正常工作，這個(gè)數值越小越好。
● 判定紋波的標準
Intel在A(yíng)TX12V 2.31規范中規定+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)量對于大多品牌直流開(kāi)關(guān)電源是非常寬裕的，筆者測試過(guò)的絕大多數直流開(kāi)關(guān)電源都不會(huì )超過(guò)這個(gè)數值，但幾乎所有山寨直流開(kāi)關(guān)電源在滿(mǎn)載時(shí)紋波都會(huì )超標，內部用料設計可想而知。
其實(shí)，我們完全可以把直流開(kāi)關(guān)電源的紋波圖案和聲音的波譜聯(lián)系到一起。當聲音震動(dòng)頻率十分高時(shí)，往往會(huì )出現聲音波譜雜亂甚至高低偏離十分明顯的情況。這和直流開(kāi)關(guān)電源紋波中的表現情況是相對一樣的。
Intel ATX12V 2.31對直流開(kāi)關(guān)電源紋波的規定
● PBzone輸出紋波測試設定
直流開(kāi)關(guān)電源每路輸出負載的紋波值與該路的電流值有很大關(guān)系，一般直流開(kāi)關(guān)電源在輕載下紋波是絕不會(huì )超標的，所以我們記錄三種狀態(tài)下的紋波：100%負載、+12V聯(lián)合輸出滿(mǎn)載、+3.3V輸出滿(mǎn)載，+5V輸出滿(mǎn)載。在測試三路輸出滿(mǎn)載時(shí)，我們把其中一路按照銘牌標稱(chēng)滿(mǎn)載，另外兩路的電流均設定為2A。
紋波測試結果其實(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果。請大家單擊一張圖放大，會(huì )發(fā)現圖的最下面一行有兩個(gè)數值，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(zhù)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,遠遠小于Intel規定的120mV，所以測試結果可以說(shuō)非常優(yōu)秀。
電子器件的直流開(kāi)關(guān)電源測量通常情況是指開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源的測量（當然還有線(xiàn)性直流開(kāi)關(guān)電源）。講述開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源的資料非常多，本文討論的內容為PWM開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源，而且僅僅是作為測試經(jīng)驗的總結，為大家簡(jiǎn)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(jīng)假定您對于開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源有一定的了解。
1 開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)述
開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源（Switching Mode Power Supply，常常簡(jiǎn)化為SMPS），是一種高頻電能轉換裝置。其功能是將電壓透過(guò)不同形式的架構轉換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。
開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源的拓撲指開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源電路的構成形式。一般是根據輸出地線(xiàn)與輸入地線(xiàn)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。
對于開(kāi)關(guān)變換器來(lái)說(shuō)，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?jīng)Q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(shí)，就是Buck-Boost拓撲。
2 容易引發(fā)系統失效的關(guān)鍵參數測試
以下的測試項目除了是指在靜態(tài)負載的情況下測試的結果，只有噪聲(noise)測試需要用到動(dòng)態(tài)負載。
2.1 Phase點(diǎn)的jitter
對于典型的PWM開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源，如果phase點(diǎn)jitter太大，通常系統會(huì )不穩定（和后面提到的相位裕量相關(guān)），對于200~500K的PWM開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源，典型的jitter值應該在1ns以下。
2.2 Phase點(diǎn)的塌陷
有時(shí)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(jīng)驗不夠豐富的工程師，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 )因為溫度的急劇增加而燒毀。這時(shí)需要更換飽和電流更大的電感。
2.3 Shoot through測試
測試的目的是看上MOS管導通時(shí)，有沒(méi)有同時(shí)把下管打開(kāi)，從而導致直流開(kāi)關(guān)電源直接導通到地而引起短路。如圖三所示藍色曲線(xiàn)（Vgs_Lmos）就是下管在上管導通的同時(shí)，被帶了起來(lái)，如果藍色曲線(xiàn)的被帶起來(lái)的尖峰超過(guò)了MOS管的Vth要求，同時(shí)持續時(shí)間（Duration）也超過(guò)了datasheet要求，從而就會(huì )有同時(shí)導通的風(fēng)險。當然，這是大家最常見(jiàn)到的情況。
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)驗的直流開(kāi)關(guān)電源測試工程師。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)際測試圖）。雖然沒(méi)有被同時(shí)帶起的情況，但是請注意上下管有交叉的現象，而且交叉點(diǎn)的電平遠高于MOS管規定的Vth值，這是個(gè)嚴重的
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(gè)非常重要的測試項目。直流開(kāi)關(guān)電源系統是否穩定，是否能長(cháng)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(lài)于直流開(kāi)關(guān)電源芯片廠(chǎng)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(huì )有很大的潛在風(fēng)險。
如果系統是一個(gè)不穩定的系統，反映在一些直流開(kāi)關(guān)電源測試項目里面，會(huì )看到以下幾個(gè)主要問(wèn)題。
描述1直流開(kāi)關(guān)電源的Noise測試通過(guò)，但是直流開(kāi)關(guān)電源依然不穩定。表現為功能測試fail。常常有工程師在debug時(shí)說(shuō)我的直流開(kāi)關(guān)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)系統本來(lái)就不穩定。
Phase點(diǎn)jitter過(guò)大。這是比較典型的不穩定現象。
瞬態(tài)響應(Transient response)太大。最笨的辦法就是加很多電容，去滿(mǎn)足瞬態(tài)響應的要求。對于低成本產(chǎn)品，這可是要錢(qián)的啊。
如果你沒(méi)有用正確的方法測試出系統的環(huán)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(guò)測試呢？只有來(lái)來(lái)回回不停作實(shí)驗。然后來(lái)來(lái)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(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(zhù)時(shí)間變化而減少。如MLCC，系統運行在正常溫度兩年~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 )對系統的穩定造成很大的影響，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(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)。
根據奈奎斯特定理對系統穩定性要求，規范要求一個(gè)閉環(huán)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(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源的要求在10%~30%的開(kāi)關(guān)頻率。從開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源的穩定性看帶寬越低，直流開(kāi)關(guān)電源越容易穩定。從開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)指標看，帶寬越高直流開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能越好。
下圖五為典型的波特圖：
另外一點(diǎn)非常重要的是，除了PWM開(kāi)關(guān)直流開(kāi)關(guān)電源，有很多線(xiàn)性直流開(kāi)關(guān)電源(LDO)，其補償網(wǎng)絡(luò )在芯片外部的，也要做類(lèi)似的環(huán)路增益的波特圖測試，從而確保其穩定性。LDO的測試，是絕大多數廠(chǎng)家容易忽略掉的。比如如下圖六所示這種電路，很多人會(huì )直接測量noise完事。
我們有可能會(huì )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(gè)時(shí)候，只有調試不同的參數，才能得到比較好的結果。從而滿(mǎn)足系統穩定性的要求。
2.5 直流開(kāi)關(guān)電源紋波(ripple)和噪聲(noise)
直流開(kāi)關(guān)電源紋波和噪聲，看起來(lái)是直流開(kāi)關(guān)電源測試里面最簡(jiǎn)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(shí)候，只是看是不是符合規范要求，比如30mV等等。有些時(shí)候，紋波和系統的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noise和他的系統noise基本是一個(gè)范圍，但是我的系統會(huì )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(méi)有用示波器做過(guò)FFT，看看同樣noise在頻域上的區別呢？
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