輸出電壓紋波是電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要參數(shù)。某些負(fù)載對(duì)供電的電壓紋波非常敏感，而某些Vcore對(duì)供電電壓的要求很高，需滿足嚴(yán)格的容受范圍，其中包括靜態(tài)容忍度、供電電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)過(guò)沖/下沖電壓。要能準(zhǔn)確測(cè)量紋波不容易，特別是對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器。

本篇應(yīng)用筆記將介紹一些實(shí)用的設(shè)計(jì)技巧來(lái)測(cè)量輸出電壓紋波。

1 導(dǎo)言

現(xiàn)代電子應(yīng)用通常包含嵌入式計(jì)算和無(wú)線連接功能，這些電路通常具有高脈動(dòng)和重載行為，同時(shí)需要低輸入電壓紋波。因此，新一代的DC-DC轉(zhuǎn)換器需要具有快速瞬態(tài)響應(yīng)，以在快速波動(dòng)的負(fù)載條件下維持穩(wěn)定的輸出電壓，并且輸出紋波應(yīng)該要很小，以避免損害對(duì)敏感電路性能的影響。能夠精準(zhǔn)地測(cè)量功率轉(zhuǎn)換器的輸出紋波可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本文將解釋DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波，并提供有用的設(shè)計(jì)技巧，以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

以下列舉了一些重要的考慮事項(xiàng)：

紋波電壓較小，測(cè)量設(shè)備必須具備足夠的靈敏度，有時(shí)需要使用特殊探頭。示波器通常用于測(cè)量供電電壓紋波。

紋波測(cè)量總是在一定的頻寬范圍內(nèi)進(jìn)行。20MHz頻寬最常用，但某些應(yīng)用可能需要更高的測(cè)量頻寬，如200MHz。

電源供應(yīng)器的負(fù)載可能對(duì)測(cè)量到的紋波產(chǎn)生重大影響。這對(duì)于在輕載條件下以脈沖跳躍或經(jīng)濟(jì)模式運(yùn)行的電源供應(yīng)器尤為重要。此外，在紋波測(cè)量期間的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化可能會(huì)增加測(cè)得的紋波值。

測(cè)量環(huán)境會(huì)很容易地影響測(cè)量數(shù)值，特別是在高頻率切換信號(hào)附近使用高頻寬裝置進(jìn)行測(cè)量時(shí)。同樣，附近的設(shè)備，甚至是測(cè)量設(shè)備本身，都可能將雜音引入紋波測(cè)量中，這不應(yīng)被誤解為被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的雜音。

2 技巧1：檢查設(shè)備和環(huán)境雜訊

在進(jìn)行紋波測(cè)量之前，需要進(jìn)行一次環(huán)境檢查。將測(cè)量探頭尖端連接到探頭的地線，然后將其放置在實(shí)驗(yàn)室桌上，如下圖1所示。設(shè)置示波器為最大頻寬，并確保具有足夠的采樣率。

開(kāi)啟 LED 燈的環(huán)境雜訊測(cè)量

關(guān)閉 LED 燈的環(huán)境雜訊測(cè)量

圖1

在LED燈開(kāi)啟的狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)量，顯示出21mVpp的開(kāi)關(guān)雜訊（10:1探頭，500MHz頻寬）。

在LED燈關(guān)閉的狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)量，開(kāi)關(guān)雜訊降低至10mVpp（10:1探頭，500MHz頻寬）。

圖1從上述測(cè)量例子可以看出，一個(gè)簡(jiǎn)單的10:1探頭，在高頻寬設(shè)置 (500MHz) 下，其接地環(huán)路很容易從環(huán)境中接收到雜訊。在進(jìn)行紋波測(cè)量時(shí)，必須確保雜訊較大的設(shè)備已關(guān)閉。

3 技巧 2：了解可能期望的紋波信號(hào)種類

在進(jìn)行紋波測(cè)量時(shí)，了解可預(yù)期的情況也是有幫助的，因此在將示波器連接到您的電路板之前，進(jìn)行一些紋波計(jì)算或模擬是一個(gè)好方式。

3.1 連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 輸出紋波

對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器（圖2），在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 中，橫跨輸出電容器的輸出紋波是由于流經(jīng)輸出電容器的電感紋波電流引起的。由于電容器電壓是電容器電流的積分，而在CCM中的電感紋波電流是一個(gè)三角波形，因此在CCM中的純電容器紋波電壓由正負(fù)的拋物線電壓組成，如下圖3所示。

圖2

圖3

電感紋波電流 DIL 可以從以下公式計(jì)算：

輸出電容器紋波電壓可以從以下公式計(jì)算：

這適用于低ESR的多層陶瓷電容MLCC。

如果輸出電容器有一些等效串聯(lián)電阻 (ESR)，紋波電壓將會(huì)增加，公式如下：

在使用MLCC電容時(shí)，需確保在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，考慮直流偏壓DC，以獲得有效電容值。

從公式中可以看出，負(fù)載電流不在其中。這意味著在降壓轉(zhuǎn)換器保持在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 時(shí)，輸出紋波電壓不會(huì)隨著負(fù)載電流的變化而改變。

3.2 脈沖跳躍模式 (PSM) 輸出紋波

立锜的降壓轉(zhuǎn)換器系列通常有一個(gè)在輕載條件下運(yùn)行于脈沖跳躍模式 (PSM) 的版本。當(dāng)負(fù)載電流減少到某個(gè)值時(shí)，電感紋波電流谷值將達(dá)到零。具有PSM模式的零件將開(kāi)始在二極管仿真模式下工作，這意味著低端 (low-side) MOSFET只會(huì)在電感電流的正部分開(kāi)啟。在電感電流變?yōu)樨?fù)值時(shí)，高端 (high-side) 和低端MOSFET都將關(guān)閉，并且開(kāi)關(guān)波形將顯示出一些阻尼振鈴 (damped ringing)，這是由電感和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的寄生電容的共振引起的。在輸出放電的同時(shí)，轉(zhuǎn)換器將保持在這種低Iq休眠模式中。一旦反饋電壓達(dá)到PSM電壓參考閾值，PWM會(huì)開(kāi)啟一段時(shí)間TON（見(jiàn)圖4）。

圖4

在輕載條件下的操作中，輸出電壓將在TON和TOFF期間由正三角形電流充電，并在TSLEEP時(shí)間內(nèi)由負(fù)載電流緩慢放電，此時(shí)兩個(gè)MOSFET都關(guān)閉。

在PSM模式下的輸出電壓紋波可以通過(guò)以下方式進(jìn)行估算：

對(duì)于ACOT轉(zhuǎn)換器，在PSM模式下的ON時(shí)間類似于CCM模式下的ON時(shí)間：

電流模式轉(zhuǎn)換器通常在PSM期間設(shè)定一定的電感峰值電流：

PSM輸出紋波幅度取決于負(fù)載電流：當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，紋波幅度將減小，因?yàn)樨?fù)載電流在TON + TOFF期間也會(huì)放電電容器。上述公式適用于非常輕（實(shí)際上為零）的負(fù)載和單次TON的PSM。

4 技巧 3：了解寄生效應(yīng)

轉(zhuǎn)換器輸出紋波可能會(huì)受到組件寄生參數(shù)的影響，特別是在較高的開(kāi)關(guān)頻率下。

輸出電容ESR將向輸出紋波中添加一個(gè)三角波電壓。MLCC電容的ESR非常低，約為3至5m?。

聚合物電容的ESR較高，通常在10至50m?之間。對(duì)于這些類型，輸出紋波中的三角波形將更加明顯。

輸出電容還具有寄生串聯(lián)電感ESL。對(duì)于MLCC類型，ESL相當(dāng)小，約為0.2至0.4nH，但聚合物電容的ESL較高，約為1至2nH。在降壓轉(zhuǎn)換器中，ESL將會(huì)在總電壓中添加一個(gè)方波。不同電容器寄生參數(shù)的影響顯示在圖5中。

圖5

電感具有寄生并聯(lián)電容，取決于結(jié)構(gòu)、尺寸和額定值，范圍從幾個(gè)到10~15pF不等。電感的并聯(lián)電容將使一些快速邊緣的開(kāi)關(guān)波形轉(zhuǎn)移到輸出，導(dǎo)致測(cè)得波形中的高頻尖峰（見(jiàn)圖6）。您需要將示波器設(shè)置為高頻寬以查看這些尖峰。

圖6

5 技巧4：影響紋波測(cè)量的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的噪聲源

輸出紋波通常很小，因此示波器需要設(shè)置為高電壓靈敏度。這種設(shè)置很容易受到電源產(chǎn)生的雜訊的影響。最常見(jiàn)的雜訊源之一是電感的漂移磁場(chǎng) (stray magnetic field)。許多常見(jiàn)的便宜電感是半屏蔽的I型磁心，其繞線周圍包裹著鐵氧體粉末環(huán)氧樹脂。這些電感仍會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的漂移磁場(chǎng)。任何附近的回路都會(huì)收到一些漂移磁場(chǎng)，并且回路電感會(huì)在回路端產(chǎn)生一小部分方波電壓。

圖7顯示了一個(gè)尺寸緊密的降壓轉(zhuǎn)換器電路板，帶有半屏蔽線圈，以及示波器探頭帶有相對(duì)較大的接地線環(huán)。這個(gè)環(huán)可能會(huì)捕捉到電感的漂移磁場(chǎng)，而導(dǎo)致在輸出電壓紋波測(cè)量中增加一個(gè)方波。

圖7

圖8（紅色波形）顯示了在測(cè)量時(shí)受到漂移磁場(chǎng)影響可能產(chǎn)生的輸出紋波波形：可以看到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的方波被附加在紋波電壓上。附加波形的極性取決于電感的方向和接收回路的方向。

圖8

在底部的紅色波形中，波形中的電壓步階可能是由輸出電容器的ESL引起的，或者是由電場(chǎng)輻射進(jìn)入探頭尖端和接地的測(cè)量回路引起的。這可以通過(guò)移動(dòng)探頭來(lái)檢查：如果在不同方向移動(dòng)探頭環(huán)時(shí)，超載方波有振幅變化，表示雜訊是由于探頭環(huán)的漂移場(chǎng)引起。這就是為什么在測(cè)量靠近電感時(shí)，探頭尖端到探頭地端的回圈要最小化的重要原因。另一種檢查的方法是在PCB上反轉(zhuǎn)電感的方向：如果附加波形的極性反轉(zhuǎn)，則表示紋波波形中的電壓跳躍也來(lái)自于探頭環(huán)的漂移場(chǎng)。

圖9顯示了一種更好的測(cè)量輸出紋波的方法：長(zhǎng)接地線被環(huán)繞在探頭尖端接地環(huán)周圍的短彈簧所取代。這種方式可以顯著減小了接地回圈的面積，并減少了漂移場(chǎng)的影響。

圖9

然而，在某些情況下，即使是更小的回圈仍然會(huì)耦合雜散磁場(chǎng)，特別是在高頻轉(zhuǎn)換器中，而且是在測(cè)量點(diǎn)非?？拷姼袝r(shí)。對(duì)于這些情況，最好使用一小段扭曲的電線，讓輸出電容器端的回圈面積變得非常小，并且將探頭連接到距離電感有一定距離遠(yuǎn)的地方，如圖10所示。使用扭曲電線的方法也會(huì)更容易將脆弱的探頭尖端連接到測(cè)量點(diǎn)。IC封裝引腳的量測(cè)也可以如此使用。

圖10

6 技巧5：低噪聲開(kāi)關(guān)信號(hào)測(cè)量

有時(shí)可能會(huì)希望同時(shí)可以測(cè)量開(kāi)關(guān)波形和輸出紋波電壓，例如利用開(kāi)關(guān)波形觸發(fā)示波器。當(dāng)直接連接第二個(gè)探頭到開(kāi)關(guān)信號(hào)，如圖11所示，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這種連接會(huì)在輸出紋波電壓測(cè)量上添加大量的開(kāi)關(guān)雜訊。

圖11

在紋波測(cè)量中出現(xiàn)的額外開(kāi)關(guān)雜訊是由于測(cè)量開(kāi)關(guān)波形的CH2探頭的探頭電容引起的：開(kāi)關(guān)信號(hào)的快速上升和下降時(shí)間導(dǎo)致高頻電流脈沖進(jìn)入長(zhǎng)的CH2探頭線。這種高頻電流會(huì)引起大量高頻輻射，而這種高頻雜訊則會(huì)進(jìn)入輸出電壓紋波測(cè)量中。

您可以嘗試使用非常短的接地線來(lái)連接CH2探頭與開(kāi)關(guān)信號(hào)，但更簡(jiǎn)單的解決方法，是最小化CH2探頭中的高頻電流?？梢酝ㄟ^(guò)將CH2探頭放置在靠近開(kāi)關(guān)信號(hào)的位置，而不是直接連接到開(kāi)關(guān)信號(hào)上，來(lái)收集到有用的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在這種情況下，CH2探頭中的高頻電流是最小的，且CH1紋波測(cè)量就不受到影響。當(dāng)然，您將失去開(kāi)關(guān)信號(hào)的直流信號(hào)，但對(duì)于在開(kāi)關(guān)波形上觸發(fā)示波器，電容式取樣 (capacitive pick-up) 的效果良好。一個(gè)簡(jiǎn)單方式可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)信號(hào)電容式取樣，就是將一根絕緣的電線焊接到開(kāi)關(guān)信號(hào)上：將電線的絕緣部分部分拉出，并將探頭夾在絕緣的頂部。探頭夾到電線內(nèi)部導(dǎo)線的距離將決定電容式取樣的量。見(jiàn)圖12。

圖12

7 實(shí)際案例1：RT6252A ACOT降壓轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于12V到5V、2A的小型應(yīng)用

RT6252A是一款成本效益高、額定電壓為17V的第三代ACOT降壓轉(zhuǎn)換器，具有2A的輸出電流能力，并在輕載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入PSM模式。轉(zhuǎn)換器在CCM模式下運(yùn)行，頻率為580kHz。EVB的原理圖和布局如圖13所示。

圖13

兩個(gè)22μF/6.3V的0805 MLCC輸出電容在5V直流偏壓下，降至8μF，而在低交流電壓紋波下，可能再下降30%。每個(gè)電容的ESR為3m?左右，并且約為0.2nH的ESL（參見(jiàn)圖14）。對(duì)于這個(gè)應(yīng)用的計(jì)算，我們使用14μF的總電容、1.5m?的總ESR和0.1nH的總ESL。

圖14

電感MNR5040-4R7的自諧振頻率為43MHz，因此C-parallel為2.9pF。

電感的紋波電流

為1.1App

輸出電容CCM紋波電壓

為17mVpp

這個(gè)1.5m?的等效串聯(lián)電阻增加了

= 1.7mVpp，因此總和的CCM紋波為18.7mVpp。

對(duì)于具有寄生組件的高頻行為，一個(gè)簡(jiǎn)單的LTSpice模擬顯示如下結(jié)果：（見(jiàn)圖15）

圖15

7.1 第一個(gè)帶有接地回圈的測(cè)量裝置（見(jiàn)圖16）

我們連接了一個(gè)5?（1A）的負(fù)載電阻，以進(jìn)行CCM操作，并將CH1探針（黃色環(huán)）與輸出電容器連接，形成大的接地回路。CH2探頭（青色環(huán)）用于使用電容式取樣方法來(lái)測(cè)量開(kāi)關(guān)波形。

圖16

有關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器中電感方向的注意事項(xiàng)：SMD電感最好安裝在這樣的方向，其中繞線的開(kāi)始（靠近內(nèi)部磁心）連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在Buck轉(zhuǎn)換器中，外部繞線將連接到輸出電容節(jié)點(diǎn)（它在高頻時(shí)具有低阻抗），因此外部繞線充當(dāng)了開(kāi)關(guān)信號(hào)的屏蔽層。這有助于改善EMI。當(dāng)將繞線端連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，外部繞線區(qū)域?qū)⑸l(fā)更多的高頻電場(chǎng)。

在改變電感器方向同時(shí)，漂移磁場(chǎng)也將反轉(zhuǎn)，這都可能會(huì)影響紋波測(cè)量。

第一種量測(cè)結(jié)果（圖17）

輸出紋波測(cè)量（請(qǐng)注意電感的方向）

輸出紋波測(cè)量（反轉(zhuǎn)電感的方向）

使用上述電感方向的測(cè)量（20MHz帶寬）

使用反轉(zhuǎn)電感方向的測(cè)量（20MHz帶寬）

圖17

測(cè)量中出現(xiàn)大的"負(fù)向方波"

測(cè)量中出現(xiàn)大的"正向方波"

圖17從測(cè)量中可以看出，此設(shè)置中的CH1探頭接收了相當(dāng)多的電感漂移場(chǎng)向，導(dǎo)致紋波電壓中出現(xiàn)大的電壓方波。而反轉(zhuǎn)電感方向時(shí)，紋波電壓的形狀仍存在很大的差異。因此，紋波測(cè)量都不準(zhǔn)確。

7.2 第二個(gè)帶有較小接地回圈的測(cè)量設(shè)置（圖18）

在這里，我們使用CH1探頭（黃色環(huán)），它帶有較短的接地回圈，連接到輸出電壓測(cè)量的接點(diǎn)。CH2探頭（青色環(huán)）用于使用電容式取樣方法測(cè)量開(kāi)關(guān)波形。

圖18

第二種量測(cè)結(jié)果(圖19)

輸出紋波測(cè)量（請(qǐng)注意電感的方向）

輸出紋波測(cè)量（反轉(zhuǎn)電感方向）

使用上述電感方向的測(cè)量（20MHz帶寬）

使用反轉(zhuǎn)電感方向的測(cè)量（20MHz帶寬）

圖19

測(cè)量中出現(xiàn)小的"負(fù)向方波"

測(cè)量中出現(xiàn)小的"正向方波"

從第二次測(cè)量可以看出，較小的探頭回圈耦合的電感漂移場(chǎng)要少得多，但在改變電感方向時(shí)，兩次測(cè)量之間仍然存在一些差異。

7.3 第三個(gè)帶有扭曲電線的測(cè)量設(shè)置（圖20）

在這里，我們將一根扭轉(zhuǎn)的電線與輸出電容器相連，形成一個(gè)非常小的回圈。扭曲的電線回圈在輸出電容器上也是垂直的，以最小化電感漂移場(chǎng)的耦合。CH1探頭（黃色環(huán)）連接到扭曲電線的另一端，帶有短地回圈，遠(yuǎn)離電感和開(kāi)關(guān)的軌跡。CH2探頭（青色環(huán)）用于使用電容式取樣方法以測(cè)量開(kāi)關(guān)波形。

圖20

第三種量測(cè)結(jié)果（圖21）

輸出紋波測(cè)量（請(qǐng)注意電感的方向）

輸出紋波測(cè)量（反轉(zhuǎn)電感方向）

使用上述電感方向的測(cè)量（20MHz帶寬）

使用上述反轉(zhuǎn)電感方向的測(cè)量（20MHz帶寬）

圖21

測(cè)量中幾乎沒(méi)有方波變化

反向電感時(shí)幾乎沒(méi)有什么差異

扭轉(zhuǎn)電線方法呈現(xiàn)出非常清晰的輸出紋波測(cè)量，而且反轉(zhuǎn)電感方向時(shí)波形也幾乎不變，這意味著測(cè)量中幾乎沒(méi)有漂移場(chǎng)耦合。CCM紋波測(cè)量為22.6mVpp，略高于計(jì)算的18.7mVpp。請(qǐng)注意，ACOT轉(zhuǎn)換器存在一些頻率抖動(dòng)（OFF時(shí)間變化），這導(dǎo)致測(cè)量紋波振幅中的一些不規(guī)則性。

7.4 高頻寬設(shè)置 (500MHz) 的測(cè)量：檢查CH2探頭開(kāi)關(guān)信號(hào)測(cè)量的影響

圖22顯示了在測(cè)量開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，直接使用探頭連接和電容式取樣方法之間的差異。

在下面的測(cè)量中，CH2探頭直接連接到開(kāi)關(guān)信號(hào)。

在下面的測(cè)量中，CH2探頭僅夾在焊接到開(kāi)關(guān)信號(hào)線的絕緣部分。

測(cè)量（500MHz帶寬），直接連接到SW節(jié)點(diǎn)

測(cè)量（500MHz帶寬），接到電容式取樣SW節(jié)點(diǎn)

圖22

直接的CH2探頭連接，對(duì)紋波電壓測(cè)量添加了大量的高頻噪聲。

使用電容式取樣SW信號(hào)的CH2探頭，幾乎不會(huì)對(duì)紋波電壓測(cè)量添加任何噪聲。

從測(cè)量比較中可以清楚地看出，直接用探頭連接，加上帶有很大的接地回圈會(huì)對(duì)測(cè)量增加大量雜訊。而電容式取樣方法幾乎不會(huì)增加任何雜訊。電容式取樣的量，可以透過(guò)改變探頭夾與絕緣電線銅芯的距離來(lái)調(diào)整。

在高頻寬設(shè)置中進(jìn)行測(cè)量的最佳方法，就是盡可能減少連接設(shè)備到DUT，只連接（電阻）負(fù)載和只連接CH1探頭即可（見(jiàn)圖23左側(cè)）。然而，如果需要查看開(kāi)關(guān)波形（例如用于示波器觸發(fā)），電容式取樣方法對(duì)高頻讀取的影響會(huì)較小。

僅使用CH1探頭進(jìn)行高頻測(cè)量

使用電容式取樣方法進(jìn)行開(kāi)關(guān)波形測(cè)量的CH1和CH2探頭高頻測(cè)量

量測(cè)（500MHz帶寬）

量測(cè)（500MHz帶寬）

圖23

測(cè)量中的開(kāi)關(guān)雜訊聲相對(duì)較小

測(cè)量中的開(kāi)關(guān)雜訊相對(duì)較小

上述紋波測(cè)量中的高頻尖峰振幅小于模擬結(jié)果。最有可能的是，模擬中顯示的非常快速 (50psec) 的訊號(hào)受到示波器和探頭的500MHz帶寬限制的衰減。

7.5 PSM紋波測(cè)量：

我們可以移除電阻負(fù)載以實(shí)現(xiàn)低負(fù)載的PSM操作，并以與CCM模式紋波測(cè)量相同的方式來(lái)測(cè)量輸出紋波。我們使用扭轉(zhuǎn)電線方法進(jìn)行紋波測(cè)量，使用電容式取樣方法進(jìn)行開(kāi)關(guān)波形測(cè)量，參見(jiàn)圖24。

圖24

零負(fù)載PSM紋波測(cè)量：

PSM開(kāi)關(guān)行為的細(xì)節(jié)：

圖25

轉(zhuǎn)換器的操作頻率非常低：256Hz

ON時(shí)間為510nsec，比CCM ON時(shí)間的750nsec短。PSM紋波振幅為32.8mVpp。

RT6252A的一個(gè)特點(diǎn)是，在PSM模式下它減小了ON時(shí)間，以減小PSM紋波振幅。

在PSM模式期間計(jì)算的輸出電壓紋波

為33.2mVpp，因此，測(cè)得的紋波為28.8mVpp，與計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合。

8 實(shí)際案例2：RT5760A ACOT降壓轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于5V到1.2V，1A，小尺寸，低紋波應(yīng)用

RT5760A是一款成本效益高的6V額定電壓，第三代低壓ACOT降壓轉(zhuǎn)換器，具有1A的輸出電流能力和輕載時(shí)的自動(dòng)PSM模式。2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率、SOT563封裝和使用小型主要組件，使得總應(yīng)用電路面積非常小。電路板的線路圖和布局如圖26所示。

圖26

在這個(gè)小型線路布局中，單一的MLCC輸出電容C5位于非常靠近電感的位置，該電感是Murata的半屏蔽型LQH32類型。10μF/6.3V 0603 MLCC輸出電容在1.2V DC偏壓下，會(huì)下降到8.6μF，在低交流電壓紋波下可能再下降10%。這個(gè)電容的ESR為3m?，ESL約為0.2nH（見(jiàn)圖27）。對(duì)于這個(gè)應(yīng)用的計(jì)算，我們使用8μF的有效電容，3m?的ESR和0.2nH的ESL。

圖27

1μH 2.3A 電感LQH32PN1R0NN0的自共振頻率為150MHz，因此C-parallel 為1.1pF。

電感紋波電流

為0.42App

輸出電容CCM 紋波電壓

為2.94mVpp

1.5m? ESR, 加上

的1.25mVpp, 所以總共CCM 紋波為4.19mVpp

對(duì)于具有寄生組件的高頻行為，下面的LTSpice模擬顯示了結(jié)果：（圖28）

圖28

可以看到，輸出波形是拋物線（Cout電容）、三角波 (Cout ESR)、電壓方波 (Cout ESL) 和高頻尖峰（由于電感并聯(lián)電容和Cout ESL引起）的組合。

8.1 第一次使用小接地環(huán)路的測(cè)量：

圖29顯示了使用PCB輸出電壓接頭/短接地環(huán)探頭連接的輸出紋波測(cè)量（距離單個(gè)輸出電容C5有一定距離，以及用于測(cè)量開(kāi)關(guān)波形的電容接收方法）。

輸出紋波量測(cè)（10:1探頭）

輸出紋波量測(cè)（1:1探頭）

量測(cè) (20MHz BW) 使用10:1探頭

量測(cè) (20MHz BW) 使用1:1探頭

圖29

由于紋波較小，10:1探頭的靈敏度不足

1:1探頭對(duì)小紋波測(cè)量提供更好的靈敏度

對(duì)于這種非常低的輸出電壓紋波測(cè)量，10:1探頭的靈敏度不足，1:1探頭則提供更好的結(jié)果。

同時(shí)可以看到，短探頭環(huán)路連接仍然會(huì)吸收相當(dāng)多的電感寄生場(chǎng)：測(cè)量的波形（9.1mVpp，帶有較大的電壓方波）與模擬和計(jì)算的 (4.2mVpp) 結(jié)果非常不同。

8.2 第二次使用扭轉(zhuǎn)線的測(cè)量：

圖30顯示了使用1:1探頭的輸出紋波測(cè)量，直接連接到MLCC輸出電容器C5。扭轉(zhuǎn)線的連接方式使小環(huán)路垂直放置，以最小化電感雜散磁場(chǎng)的耦合。

輸出紋波測(cè)量（注意電感方向）

輸出紋波測(cè)量（反轉(zhuǎn)電感方向）

測(cè)量（20MHz帶寬）（注意電感方向）

測(cè)量（20MHz帶寬）（反轉(zhuǎn)電感方向）

圖30

測(cè)量沒(méi)有顯示任何電壓方波

測(cè)量仍顯示相當(dāng)大的電壓方波

扭曲的電線連接的環(huán)路比之前的接點(diǎn) + 短接地環(huán)路探頭連接還要短，但從上面的測(cè)量結(jié)果可以看出，在反轉(zhuǎn)電感方向時(shí)，紋波測(cè)量結(jié)果仍存在一些差異。因此，由于電感與高頻訊號(hào)非常近，是很難避免一些電感雜散場(chǎng)雜訊耦合到小的扭轉(zhuǎn)電線中。為了減少電感雜散場(chǎng)的影響，我們可以嘗試移動(dòng)輸出電容來(lái)遠(yuǎn)離電感。

8.3 第三次使用扭轉(zhuǎn)電線進(jìn)行測(cè)量，并將電容移離電感

圖31顯示了使用扭轉(zhuǎn)電線進(jìn)行的紋波測(cè)量，并將輸出電容移離電感8mm的位置：

輸出紋波測(cè)量（注意電感方向）

輸出紋波測(cè)量（反轉(zhuǎn)電感方向）

量測(cè) (20MHz BW)（注意電感方向）

量測(cè) (20MHz BW)（反轉(zhuǎn)電感方向）

圖31

測(cè)量結(jié)果顯示的振幅 (4.2mVpp) 和波形形狀與模擬結(jié)果(4.19mVpp) 相似

反轉(zhuǎn)電感方向時(shí)，波形形狀和振幅非常相似

使用扭曲的線連接和將輸出電容移離電感8mm后，現(xiàn)在紋波測(cè)量結(jié)果與兩種電感方向的計(jì)算和模擬相符合。請(qǐng)注意，ACOT轉(zhuǎn)換器仍存在一些頻率抖動(dòng)（OFF時(shí)間變化），這導(dǎo)致測(cè)得的紋波振幅出現(xiàn)一些不規(guī)則性。

輸出紋波測(cè)量使用1:1探頭和500MHz示波器帶寬設(shè)置，以及電容接收法進(jìn)行開(kāi)關(guān)波形測(cè)量（見(jiàn)圖32）：

圖32

可以看到，使用高帶寬設(shè)置的示波器進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果并未顯示太多額外的高頻尖峰。這主要與1:1探頭有關(guān)，其有效帶寬為15MHz。大多數(shù)1:1探頭的帶寬相對(duì)較低，因此它們實(shí)際上不能顯示高頻信號(hào)。

8.4 PSM測(cè)量：

對(duì)于RT5760A EVB板上的PSM紋波測(cè)量，我們移除負(fù)載電阻，并使用與CCM模式紋波測(cè)量相同的方式來(lái)測(cè)量輸出紋波（用于紋波測(cè)量的扭轉(zhuǎn)線方法和用于開(kāi)關(guān)波形測(cè)量的電容式取樣法），參見(jiàn)圖33。

圖33

RT5760A 零負(fù)載PSM紋波測(cè)量

PSM開(kāi)關(guān)行為的細(xì)節(jié)

圖34

轉(zhuǎn)換器的工作頻率非常低：464Hz

開(kāi)啟時(shí)間為138nsec，略大于CCM模式的124nsec。PSM紋波幅度為24.4mVpp

在PSM模式下計(jì)算的輸出電壓紋波為

為29.4mVpp，因此測(cè)得的紋波為24.4mVpp，與計(jì)算結(jié)果相差不遠(yuǎn)。

9 DC-DC轉(zhuǎn)換器增益相位測(cè)量設(shè)置技巧

電源轉(zhuǎn)換器控制回路增益相位測(cè)量，可以通過(guò)將正弦波小信號(hào)輸入回授網(wǎng)路，并測(cè)量轉(zhuǎn)換器輸出端插入點(diǎn)兩側(cè)的正弦波紋波幅度和相位來(lái)進(jìn)行。（見(jiàn)圖35）。

圖35

正弦波小信號(hào)的振幅必須盡量保持較小，以避免改變電源轉(zhuǎn)換器的操作工作點(diǎn)，因此在測(cè)量點(diǎn)的正弦波信號(hào)幅度也會(huì)相當(dāng)小。為了獲得準(zhǔn)確的增益相位測(cè)量結(jié)果，測(cè)量應(yīng)具有高靈敏度，并且所測(cè)得的信號(hào)應(yīng)具有低開(kāi)關(guān)雜訊噪聲。因此，先前討論的輸出紋波測(cè)量方法也可應(yīng)用于增益相位測(cè)量。

在進(jìn)行增益相位測(cè)量時(shí)，扭轉(zhuǎn)線方法非常有用：靈敏的測(cè)量點(diǎn)須遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，信號(hào)輸入變壓器引線、CH1探頭和CH2探頭都可以方便地連接到扭轉(zhuǎn)的線端，離PCB也要有一定的距離（見(jiàn)圖36）。

圖36

10 實(shí)用增益相位測(cè)量范例

圖37顯示了RT6363GQW 60V/3A降壓轉(zhuǎn)換器在24V至5V/3A應(yīng)用中的增益相位測(cè)量設(shè)置。

圖37

RT6363GQW是一個(gè)額定電壓為60V/3A的電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，通常應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在這個(gè)24V到5V/3A的應(yīng)用中，切換頻率設(shè)定為1MHz，并搭配24μF的有效輸出電容，外部補(bǔ)償設(shè)定為60kHz的交叉頻率。為了進(jìn)行增益相位的測(cè)量，增加了一個(gè)1.7A的電阻性負(fù)載以確保連續(xù)導(dǎo)通模式的運(yùn)作。在回授網(wǎng)路的頂部插入了一個(gè)4.7?的電阻，正弦波小信號(hào)通過(guò)這個(gè)電阻作輸入。圖38顯示其電路圖。

圖38

為了最小化測(cè)量中的雜訊，4.7?電阻的測(cè)量點(diǎn)與接地線連接在一起，同時(shí)連接到靠近回授網(wǎng)路的一個(gè)干凈的小信號(hào)地線。插入變壓器和兩個(gè)1:1的探頭連接到扭轉(zhuǎn)線的另一側(cè)。見(jiàn)圖39。

1:1探頭連接的細(xì)節(jié)。使用電容式取樣方法來(lái)測(cè)量切換信號(hào)。

扭轉(zhuǎn)線的細(xì)節(jié)。地線連接到靠近回授網(wǎng)路的EVB小信號(hào)地線。

以下是CH1和CH2的測(cè)量信號(hào)，其紋波較低且雜訊非常少。

圖39

在增益相位正弦波掃描測(cè)量期間，觀察示波器上的切換信號(hào)占空比變化是一種很好的實(shí)踐方法。

在進(jìn)行切換轉(zhuǎn)換器的增益相位測(cè)量時(shí)，插入的正弦波小信號(hào)應(yīng)該保持較小，以避免非線性轉(zhuǎn)換器行為（例如PSM模式或占空比限制）。在低頻率情況下，回路增益較大，插入信號(hào)也可以較大以達(dá)到足夠的低頻敏感度，但在轉(zhuǎn)換器LC頻率以上，插入信號(hào)必須保持較小，特別是在交叉頻率附近。大多數(shù)增益相位分析儀都具有可調(diào)節(jié)輸入入信號(hào)振幅的功能。

圖40

圖40顯示了BODE-100分析儀的圖形選單。在1kHz以下的掃描頻率，振幅被最大化，但必須檢查小信號(hào)輸入變壓器時(shí)，在低頻時(shí)是否會(huì)飽和。這可以通過(guò)檢查小信號(hào)正弦波形狀來(lái)完成。

在1kHz以上，振幅降低。10kHz以上的正弦波被設(shè)置為固定的低振幅?？梢酝ㄟ^(guò)觀察交叉頻率附近的切換信號(hào)占空比變化來(lái)檢查確切的振幅。

以下的測(cè)量顯示了加上60kHz輸入信號(hào)的CH1和CH2信號(hào)輸出。信號(hào)的振幅將影響切換信號(hào)的占空比變化。我們?cè)O(shè)定了19mVpp的插入信號(hào)振幅。由于信號(hào)中的雜訊較低，信號(hào)雜訊比例看起來(lái)是正常的。

以下的測(cè)量顯示了加上19mVpp插入信號(hào)振幅時(shí)，占空比的變化。占空比的變化很小，因此沒(méi)有出現(xiàn)轉(zhuǎn)換器任何非線性結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。

圖41

圖42顯示了增益相位測(cè)量的結(jié)果。曲線平滑，沒(méi)有顯示出奇怪的行為。交叉頻率為59kHz（接近60kHz的目標(biāo)值），相位裕度為63度。

圖42

10.1 使用長(zhǎng)地線進(jìn)行的第二次測(cè)量：

為了顯示在使用帶有長(zhǎng)地線的探頭連接時(shí)會(huì)發(fā)生什么，圖43顯示了測(cè)量設(shè)置，其中CH1和CH2的1:1探頭使用長(zhǎng)地線和夾子連接。切換信號(hào)也是通過(guò)直接將10:1探頭（帶有紅色）環(huán)直接連接到切換信號(hào)來(lái)測(cè)量，這樣的方式會(huì)增加額外的雜訊。

圖43

CH1和CH2探頭連接到插入信號(hào)的細(xì)節(jié)以及CH3對(duì)切換信號(hào)的直接連接。

現(xiàn)在的增益相位測(cè)量在低頻范圍顯示更多雜訊，并且在高頻范圍出現(xiàn)了奇怪的相位行為。帶寬 (BW) 和相位裕度 (PM) 仍然看起來(lái)正常。

以下的測(cè)量顯示了CH1和CH2信號(hào)，其中包含的雜訊比扭轉(zhuǎn)線法多得多。

在60kHz輸入信號(hào)設(shè)置下，信號(hào)雜訊比很差。令人驚訝的是，分析儀仍能夠從這些信號(hào)中獲取正確的增益和相位資訊。

圖44

11 總結(jié)/實(shí)用建議

測(cè)量回路最小化

在測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓紋波時(shí)，測(cè)量回路面積在雜訊收集中發(fā)揮重要作用。始終將探頭連接回路面積最小化。使用尖端和桶式方法或扭轉(zhuǎn)線方法可以減少雜訊的接收。通過(guò)改變電感方向來(lái)檢查電感雜散磁場(chǎng)的影響。

避免將雜訊添加到測(cè)量中

直接將探頭連接到快速切換波形可能會(huì)增加大量高頻雜訊。使用非常短的地線或使用電容式取樣來(lái)檢查切換信號(hào)可以將高頻雜訊降到最低。

設(shè)定可接受的示波器取樣頻寬

由轉(zhuǎn)換器輸出紋波引起的雜訊，對(duì)不同敏感性負(fù)載的應(yīng)用可能有所不同。對(duì)于對(duì)雜訊敏感的應(yīng)用，例如高分辨率類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或音頻應(yīng)用，建議在全頻寬下測(cè)量輸出紋波，而對(duì)于對(duì)雜訊不敏感的應(yīng)用，可以選擇20MHz的取樣頻寬。請(qǐng)注意，仍然需要在完整示波器取樣頻寬下檢查背景雜訊，以防輸出紋波被不準(zhǔn)確地測(cè)量。

在運(yùn)行增益相位分析之前在時(shí)域中檢查信號(hào)

在增益-相位測(cè)量中，將信號(hào)連接到頻率響應(yīng)分析儀之前，必需檢查示波器上測(cè)得的信號(hào)。盡量減少信號(hào)中的雜訊以獲得最佳量測(cè)結(jié)果。