经验总结：关于开关电源测量测试的全方位解析
时间：2018-05-24 16:04:20
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[导读]工程师都知道，电子器件的电源测量通常是指开关电源的测量，当然也包括线性电源。本文讲解PWM开关电源，而且仅仅是作为测试经验的总结，为大家简述一些容易引起系统失效的因素。因此，在阅读本文之前，
工程师都知道，电子器件的电源测量通常是指开关电源的测量，当然也包括线性电源。本文讲解PWM开关电源，而且仅仅是作为测试经验的总结，为大家简述一些容易引起系统失效的因素。因此，在阅读本文之前，需要对开关电源有一定的了解。
开关电源是一种高频电能转换装置，能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。
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。
1.Phase点的jitter
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. 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。
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。
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！
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。
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。这就是为啥要测试相位裕量的原因。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：
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，很多人会直接测量噪声完事。
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。
5.电源纹波和噪声
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，为啥我的系统噪声和他的系统噪声基本是一个范围，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，看看同样噪声在频域上的区别呢？
开关电源是一种高频电能转换装置，能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。
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。
1.Phase点的jitter
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. 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。
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。
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！
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。
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。这就是为啥要测试相位裕量的原因。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：
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，很多人会直接测量噪声完事。
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。
5.电源纹波和噪声
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，为啥我的系统噪声和他的系统噪声基本是一个范围，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，看看同样噪声在频域上的区别呢？
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