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負載瞬變測試——SCU大量過壓損壞該怎樣解決?

時間:2022-3-10閱讀:1371

負載瞬變測試用于檢測功率轉換器且是一種較為快速的方式,其能夠凸顯出轉換器的調整速度,且能把轉換器的穩定性問題顯示出來。轉換器的負載調整特性、占空比極限、PCB布局問題和輸入電壓的穩定性也可通過其測試更加快速的表現出來。


現下市面上的電子設備都具備著計算和無線連接功能,這些功能電路經常顯現出非常重的脈沖負載特性。面對此類快速變化的脈沖負載,全新的DC/DC轉換器需要具備快速的環路響應特性進行維持輸出電壓的穩定。需要測試此類的轉換器,擁有能夠生成與最終應用類似的快速變化的負載的工具是十分關鍵的。





面對具備較為穩定的負載的通用型DC/DC轉換器,快速的回路響應特性是不在考慮的行列中的,所以也不需要進行負載瞬態響應特性的測試。此時需要注意的是如果快速階躍變化的負載施加到一個穩壓器上時,一定會在很寬的頻帶內對調節回路產生沖擊,在一些特殊情況下可能會出現逼迫它們運行在控制回路的極限之下。


采用將一個快速變化的階躍負載施加到一個轉換器的輸出端,之后再對其輸出電壓的響應過程進行觀察,能夠讓我們快速且清楚的明白這個轉換器在面臨這樣的狀況時是否可以維持其輸出電壓的穩定,除此之外還可顯示出可能存在的環路穩定性問題、電源供應的穩定性問題、斜坡補償問題、負載調節性能和PCB布局問題。
在下圖中我們可以看到顯示了一個電流模式Buck轉換器在其負載發生1A快速跳變時典型的響應過程,其輸出電壓正常值VOUT NOM = 3.3V。


【電流模式Buck轉換器面對快速瞬變負載時的響應】


電流模式轉換器對負載的階躍變化不能夠立刻的做出回應,因此,在負載發生階躍變化的情況下,供給負載的電流最開始時是來源于輸出電容里的儲能。面對負載的快速跳變,輸出電容的ESR和ESL最先起作用,在輸出電壓上顯示為一個不大的跳變和尖峰,之后是輸出電容放電的開始,這將會引起輸出電壓的下沉。


輸出電壓的下降將被誤差放大器感知到,對應的也會引起VCOMP的上升,同時將會增加開關Q1導通的占空比,電感電流會因此增大用來滿足負載增大的需求。在此過程中,電壓下沉的幅度與恢復的時間會取決于多種因素:輸出電容的大小,負載電流跳變的幅度和它變化的速度dI/dt,誤差放大器的補償水平和整個控制回路的帶寬。


除去因為ESR和ESL引起的尖峰來看,轉換器的階躍響應過程在上述過程中看起來是十分平滑的,此代表著此轉換器的表現是穩健的。響應過程中的電壓下沉幅度為75mV,相當于輸出電壓的2.2%,對于大部分3.3V的電源供應來說是能夠接受的。需要注意的是,假如過程中使用的輸出電容是低ESR的MLCC,由ESR所造成的跳變一般就將看不出來。



影響轉換器響應過程的情形


01

不穩定的控制回路:在控制回路調整得不太理想的情況下,轉換器的控制作用可能過頭,快速負載階躍也會存在引起輸出電壓的顛簸或是存在振鈴現象,特殊情況下甚至將會進入振蕩狀態。

 02

不穩定的電源供應:轉換器輸出端的負載跳變將促使轉換器輸入端的電源供應器的負載跳變。如果電源供應器的穩定性不好,或是和轉換器匹配得不好,則電源供應器本身將可能振蕩起來,且一定會傳遞到轉換器的輸出端,看起來就像轉換器的控制回路不穩定一樣。

03

斜坡補償問題:電流模式轉換器利用斜坡補償方法避免高占空比應用中可能出現的次諧波振蕩。為了讓斜坡補償工作正常,適當程度的電感電流紋波一定要有的。電感選擇不當將會引起不當的電流紋波,且在遇到階躍負載時出現不穩定的次諧波。

04

在占空比極限下工作:當轉換器在接近最小/最大占空比的狀態下運行時,負載的快速階躍變化將使轉換器觸及占空比的極限,這會促使輸出電壓下沉或上沖過度,特殊情況下甚至會造成轉換器運作在保護模式下。

05

PCB布局問題:如果因為PCB布局而引起的阻抗出現在轉換器的小信號環節和功率環節上,電壓的耗損和噪聲的耦合將會出現,這將劣化轉換器對階躍負載的響應特性。如果負載處在遠離轉換器的地方,多出來的路徑阻抗會在負載增加時導致電壓的下沉,劣化轉換器的負載調整性能。除此之外,當負載發生跳變時,路徑電感也能導致振鈴信號的出現。


如下圖所示的是一個3.3V/3A轉換器負載階躍響應較差與良好的例子。左邊的例子顯示調節器輸出電壓在負載暫態后產生了嚴重的振鈴情況,這表現出控制回路具有邊際穩定性。在大多數情況下,這與反饋回路補償結合輸出電容值有關。





測試的實施


以下講述的是關于實測的案列,測試時發現使用者身邊的產品沒有測試過這個參數,批量生產后發現后端MCU在現場大量過壓損壞。之后更換過DCDC芯片,使用者還是不太認可,害怕事情再次發生,這時應該如何檢測?推薦方案如下:


 【測試演示圖】


一個受脈沖發生器控制其通/斷的MOSFET開關。MOSFET開關的切換速度可以采用其柵極的可選的RC網絡進行調節;MOSFET漏極連接的電阻R2可依據需求的動態負載調節幅度進行選擇;電阻R1用于設定負載階躍的靜態基點。負載電流的階躍變化可經過示波器的電流探頭進行測量,對轉換器輸出電壓的測量則需要在輸出電容或是負載點上進行。

使用AFG31252產生一個快速脈沖,AFG31252能夠簡單產生4ns的上升或者下降邊沿。


【測試環境搭建完畢】


過程中采用的是這款DCDC的評估板,其具有到52V的耐壓的BUCK的開關穩壓器,評估板人性化的使用了BNC接口,便于測試過程中對紋波和 Load Transient進行測量。




在此可以看到,這顆芯片一定做過極為特殊的處理。在負載發生大幅度快速階躍時幾乎*沒有電壓過沖發生。那么這將是對于電壓敏感型負載特殊優化過,這對于一些需要DCDC后面直接帶MCU這種對電壓要求很敏感的需求來說是十分重要的。

打開波形,能夠看出,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,得以觀測到,這個電流快沿時間速度高達1.6A/us !



經過手冊可以知道的是,因為這顆芯片支持多模式開關方式切換,為了能夠在各種工作電流情況下都可以得出*的效率。



因此還需要繼續檢測在不同模式轉換的過程中,是否還存在過壓發生。






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