5.5 直流直流转换器常见错误及解决方案5 - 输出与环路测量

第九个要和大家讨论的问题

就是我们输出电压的测量问题

我们可以看到这里有两张图

这两张图实际上都是在同一个电源上面

然后我们用相同的示波器

在一个同测试点测量出来的

但是很明显左边这个图

它是有非常大的开关纹波

造成大概会有几十毫伏递叠开关纹波上

那么让我们无法准确得到

输出电压纹波的峰峰值的情况

与它形成鲜明对比的右边这张图

就可以看到输出电压非常的干净

那么这两个的区别主要在哪里

那么第一个

我们可以看到就是左边这个图

实际上我们除了

接了一个示波器探头在输出端之外

还接了个示波器探头到开关节点上

那么这时候开关节点上

有个很大的开关噪声

就有可能会通过示波器的地

然后耦合到输出的信号上

从而导致输出纹波有个很大的尖刺

那么另外区别的地方就在于

我们左边这张图上

测量输出纹波的时候

没有做带宽的限制

是全带宽的测试

那么我们右边这个图上

就做了 20 兆赫兹的带宽限制

也就是它能够把 20 兆赫兹

以上的信号都滤除掉了

对开关电源来说

一两兆是它的开关频率

那么对于 20 兆的带宽限制

我们能够通过示波器

有效的读到我们这个

开关的 20 次谐波的信号

这个对我们读一个开关纹波来说

这些信号已经是足够了

另外一个需要大家注意的地方就是

我们在做输出电压测量的时候的

一些测试方法

首先第一个

大家在做输出电压测量的时候

尽量是要采用一种

我们称为地线环的操作方式

那么那么地线环的测试方法

我们可以看右边第一张图它的例子

在这个图里面

示波器的探头它是直接接在电容的正极上

然后通过一根非常短的一根铁线

然后接到了输出电压的负极上

那么这样子的话

从输出正到输出负之间

这样子形成了回路会非常小

那么相比于之下

我们右边这张图

那么实际上示波器探头

实际上是钩在输出正上的测试点上

然后地线的话就是飞了一个很高的线

然后形成巨大的环

那么这个环

就可能会接收一些高频的信号

从而在输出电压的纹波上

形成一些噪声的干扰

所以说这一点的测试方法

是大家特别需要注意的地方

那如果说是在一些

输出电压幅度很小的场合

比如说是 10mV 左右的场合

建议大家是用一比一的电压探头

或者是有源的电压探头来做一些测试

这样子的话才能够正确的反映

在 10mV 左右的电压的波形

同样的话就跟我们前面提到的

我们在做测试电压波形的时候

也尽量要做到把带宽限到 20 兆赫兹

然后如果是我们需要看

1mV 2mV 电压波形的话

尽量把示波器档位打到最小

最后一个问题

就第十个问题

就是关于我们环路测试的问题

我们可以看到这个图里面

我们在测试出环路这个波形的结果之后

会发现这个环路测试的结果

在一些中频段比如说是

30kHz 以上这一段会发生一些

增益以及相位都出现一些抖动

不平滑的现象

那么这个原因是什么呢

右边的给出的是

我们环路测试的基本的框图

那首先有交流的电压信号

会注入到输出跟反馈网络之间

然后我们通过测试这个交流电压的响应信号

来得到整个环的增益曲线

但是我们发现在做测试的时候

在我们整个变换器上的开关节点上

会有明显的大小波的情况

以及输出电压也有低频的抖动

然后输出电压低频抖动

那个频率跟我们信号注入的频率

也是完全一致的

那么很明显这个时候

就是因为注入的交流信号过大

然后导致系统出现了跳频的模式

所以说我们在做环路测试的时候

注入的电压信号也不能太大

注入的电压信号也不能太大

以免影响我们整个系统的正常工作

另外一方面我们可以看到

在低频测试的时候

那么在低频段我们可以看到

相位和增益都有一些不稳定的一些结果

那么这个时候是什么原因呢

很明显对于环路分析仪来说

出现这种不稳定或者是来回振荡情况

就是因为环路分析仪无法分辨出

哪个是真正有效的信号

有可能是这个时候注入的信号太小

然后环路分析仪所接收到的信号

被一些噪声所淹没掉

它无法得到准确稳定的结果

这个时候我们需要注意的是

在低频段也就是低于截止频率点的频段

我们的注入信号

我们实际上整个环路对于这个信号

是起抑制作用

也就是当我们注入信号的时候

最终到我们环路响应那个点

所采样到的信号

它实际上会经过闭环环路经过衰减的

那么这个时候我们

如果不改变我们注入信号的幅度

我们可以尝试在环路分析仪里面

增加它的积分时间

或者是用更加低频的接收的频段

来帮助网络分析仪得到更精确的信号

我们前面讨论了

实际上在低于我们截止频率的频段之内

我们整个闭环系统

实际上是会对这个注入信号

实现一个抑制的功能

所以说我们如果从测试结果来看

在低频段的时候

测试结果有些不稳的情况

或者是噪声太大的情况

那么我们可以尝试在低频段

增加我们注入信号的幅度

但同样的在高频段的情况

因为我们前面也提到

如果说在高频段

注入的电压幅度太大

就有可能会导致整个系统的不稳定

所以说实际上在环路测试仪里面

它提供了另外选项

即能够动态地调整注入电压

在不同频率下的幅度

这就能够实现在低频段注入更大的信号

来使低频段对噪声更加具有免疫性

然后在高频段有更小的注入信号

来确保不会导致系统出现不稳定的现象

那么右边这个图实际上就是我们

用了这种方法来做的测试

很明显看到输出电压也是比较稳定的

那么它上面的低频信号

实际上就是注入电压的频率

然后从它的开关节点的纹波上来看

也是非常稳定的

所以我们最后做总结

那么我们在设计 PLL 的 DC-DC 的时候

我们需要注意到

第一个我们在芯片

它对应最小 on-time 的时间

然后第二个对于电感电流

避免要出现饱和

以及选择合适的电感的 ΔI

和电容的容值

来确保我们整个系统

来确保我们整个系统

在所有的输入输出情况下

都能够正常稳定的工作

那么第三个是关于补偿跟软启的问题

那么在我们在做系统环路设计的时候

要尽量考虑到整个系统级的一些滤波器

比如说如果说系统上

有一级两级三级的 LC 滤波器

那么这些都需要考虑到

我们最初始的电路的设计里面

那么对于软启这块的话

我们需要也要注意到

我们要控制软启时间

来确保我们在软启的时候

输入电流或者是我们电感电流

不会超过过流保护的点

对于 PCB Layout 来说

我们要注意到我们要保证

在我们电路里系统里面

有一些高频的一些 di/dt 的环路

尽量小来降低我们整个

由 PCB 引起的寄生的电感的参数

同时的话 PCB 对于热这方面的考虑的话

我们要尽量考虑到 PCB Layout 的时候

要尽量的能够把我们芯片

从热焊盘上导出来的热

能够导到我们芯片的其它层

包括内层也包括底层

那么底层是更重要的

我们尽可能要保证底层有足够大的地面积

我们尽可能要保证底层有足够大的地面积

来把这个热给辐射散发出去

那么对于测量这一块来说

我们要测量输出电压

也要测量波特图

那么这个时候

我们需要注意到一些测试的方法

要用地线环的测量方式

以及或者是采用一些

可变电压幅度的方法来测试波特图

那么第二块的话

我们今天也大概解释一下

这些问题是怎么发生的

以及怎么样来避免它们

关于我们在这个讲座里面

提到的各种一些测试方法

以及一些设计的要点

包括那些那个补偿的话

它的设计以及设计两阶的 LC 滤波器

或者是我们怎么样测量芯片的结温的方法

大家都可以在 TI 网站上

找到相应的文章

来做更进一步的详细的学习

好 今天讲的就到这里

谢谢大家

第九个要和大家讨论的问题

就是我们输出电压的测量问题

我们可以看到这里有两张图

这两张图实际上都是在同一个电源上面

然后我们用相同的示波器

在一个同测试点测量出来的

但是很明显左边这个图

它是有非常大的开关纹波

造成大概会有几十毫伏递叠开关纹波上

那么让我们无法准确得到

输出电压纹波的峰峰值的情况

与它形成鲜明对比的右边这张图

就可以看到输出电压非常的干净

那么这两个的区别主要在哪里

那么第一个

我们可以看到就是左边这个图

实际上我们除了

接了一个示波器探头在输出端之外

还接了个示波器探头到开关节点上

那么这时候开关节点上

有个很大的开关噪声

就有可能会通过示波器的地

然后耦合到输出的信号上

从而导致输出纹波有个很大的尖刺

那么另外区别的地方就在于

我们左边这张图上

测量输出纹波的时候

没有做带宽的限制

是全带宽的测试

那么我们右边这个图上

就做了 20 兆赫兹的带宽限制

也就是它能够把 20 兆赫兹

以上的信号都滤除掉了

对开关电源来说

一两兆是它的开关频率

那么对于 20 兆的带宽限制

我们能够通过示波器

有效的读到我们这个

开关的 20 次谐波的信号

这个对我们读一个开关纹波来说

这些信号已经是足够了

另外一个需要大家注意的地方就是

我们在做输出电压测量的时候的

一些测试方法

首先第一个

大家在做输出电压测量的时候

尽量是要采用一种

我们称为地线环的操作方式

那么那么地线环的测试方法

我们可以看右边第一张图它的例子

在这个图里面

示波器的探头它是直接接在电容的正极上

然后通过一根非常短的一根铁线

然后接到了输出电压的负极上

那么这样子的话

从输出正到输出负之间

这样子形成了回路会非常小

那么相比于之下

我们右边这张图

那么实际上示波器探头

实际上是钩在输出正上的测试点上

然后地线的话就是飞了一个很高的线

然后形成巨大的环

那么这个环

就可能会接收一些高频的信号

从而在输出电压的纹波上

形成一些噪声的干扰

所以说这一点的测试方法

是大家特别需要注意的地方

那如果说是在一些

输出电压幅度很小的场合

比如说是 10mV 左右的场合

建议大家是用一比一的电压探头

或者是有源的电压探头来做一些测试

这样子的话才能够正确的反映

在 10mV 左右的电压的波形

同样的话就跟我们前面提到的

我们在做测试电压波形的时候

也尽量要做到把带宽限到 20 兆赫兹

然后如果是我们需要看

1mV 2mV 电压波形的话

尽量把示波器档位打到最小

最后一个问题

就第十个问题

就是关于我们环路测试的问题

我们可以看到这个图里面

我们在测试出环路这个波形的结果之后

会发现这个环路测试的结果

在一些中频段比如说是

30kHz 以上这一段会发生一些

增益以及相位都出现一些抖动

不平滑的现象

那么这个原因是什么呢

右边的给出的是

我们环路测试的基本的框图

那首先有交流的电压信号

会注入到输出跟反馈网络之间

然后我们通过测试这个交流电压的响应信号

来得到整个环的增益曲线

但是我们发现在做测试的时候

在我们整个变换器上的开关节点上

会有明显的大小波的情况

以及输出电压也有低频的抖动

然后输出电压低频抖动

那个频率跟我们信号注入的频率

也是完全一致的

那么很明显这个时候

就是因为注入的交流信号过大

然后导致系统出现了跳频的模式

所以说我们在做环路测试的时候

注入的电压信号也不能太大

注入的电压信号也不能太大

以免影响我们整个系统的正常工作

另外一方面我们可以看到

在低频测试的时候

那么在低频段我们可以看到

相位和增益都有一些不稳定的一些结果

那么这个时候是什么原因呢

很明显对于环路分析仪来说

出现这种不稳定或者是来回振荡情况

就是因为环路分析仪无法分辨出

哪个是真正有效的信号

有可能是这个时候注入的信号太小

然后环路分析仪所接收到的信号

被一些噪声所淹没掉

它无法得到准确稳定的结果

这个时候我们需要注意的是

在低频段也就是低于截止频率点的频段

我们的注入信号

我们实际上整个环路对于这个信号

是起抑制作用

也就是当我们注入信号的时候

最终到我们环路响应那个点

所采样到的信号

它实际上会经过闭环环路经过衰减的

那么这个时候我们

如果不改变我们注入信号的幅度

我们可以尝试在环路分析仪里面

增加它的积分时间

或者是用更加低频的接收的频段

来帮助网络分析仪得到更精确的信号

我们前面讨论了

实际上在低于我们截止频率的频段之内

我们整个闭环系统

实际上是会对这个注入信号

实现一个抑制的功能

所以说我们如果从测试结果来看

在低频段的时候

测试结果有些不稳的情况

或者是噪声太大的情况

那么我们可以尝试在低频段

增加我们注入信号的幅度

但同样的在高频段的情况

因为我们前面也提到

如果说在高频段

注入的电压幅度太大

就有可能会导致整个系统的不稳定

所以说实际上在环路测试仪里面

它提供了另外选项

即能够动态地调整注入电压

在不同频率下的幅度

这就能够实现在低频段注入更大的信号

来使低频段对噪声更加具有免疫性

然后在高频段有更小的注入信号

来确保不会导致系统出现不稳定的现象

那么右边这个图实际上就是我们

用了这种方法来做的测试

很明显看到输出电压也是比较稳定的

那么它上面的低频信号

实际上就是注入电压的频率

然后从它的开关节点的纹波上来看

也是非常稳定的

所以我们最后做总结

那么我们在设计 PLL 的 DC-DC 的时候

我们需要注意到

第一个我们在芯片

它对应最小 on-time 的时间

然后第二个对于电感电流

避免要出现饱和

以及选择合适的电感的 ΔI

和电容的容值

来确保我们整个系统

来确保我们整个系统

在所有的输入输出情况下

都能够正常稳定的工作

那么第三个是关于补偿跟软启的问题

那么在我们在做系统环路设计的时候

要尽量考虑到整个系统级的一些滤波器

比如说如果说系统上

有一级两级三级的 LC 滤波器

那么这些都需要考虑到

我们最初始的电路的设计里面

那么对于软启这块的话

我们需要也要注意到

我们要控制软启时间

来确保我们在软启的时候

输入电流或者是我们电感电流

不会超过过流保护的点

对于 PCB Layout 来说

我们要注意到我们要保证

在我们电路里系统里面

有一些高频的一些 di/dt 的环路

尽量小来降低我们整个

由 PCB 引起的寄生的电感的参数

同时的话 PCB 对于热这方面的考虑的话

我们要尽量考虑到 PCB Layout 的时候

要尽量的能够把我们芯片

从热焊盘上导出来的热

能够导到我们芯片的其它层

包括内层也包括底层

那么底层是更重要的

我们尽可能要保证底层有足够大的地面积

我们尽可能要保证底层有足够大的地面积

来把这个热给辐射散发出去

那么对于测量这一块来说

我们要测量输出电压

也要测量波特图

那么这个时候

我们需要注意到一些测试的方法

要用地线环的测量方式

以及或者是采用一些

可变电压幅度的方法来测试波特图

那么第二块的话

我们今天也大概解释一下

这些问题是怎么发生的

以及怎么样来避免它们

关于我们在这个讲座里面

提到的各种一些测试方法

以及一些设计的要点

包括那些那个补偿的话

它的设计以及设计两阶的 LC 滤波器

或者是我们怎么样测量芯片的结温的方法

大家都可以在 TI 网站上

找到相应的文章

来做更进一步的详细的学习

好 今天讲的就到这里

谢谢大家