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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:1372

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


現(xiàn)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(jīng)常顯現(xiàn)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(zhuǎn)換器需要具備快速的環(huán)路響應特性進行維持輸出電壓的穩(wěn)定。需要測試此類的轉(zhuǎn)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(guān)鍵的。





面對具備較為穩(wěn)定的負載的通用型DC/DC轉(zhuǎn)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(tài)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(wěn)壓器上時,一定會在很寬的頻帶內(nèi)對調(diào)節(jié)回路產(chǎn)生沖擊,在一些特殊情況下可能會出現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器在面臨這樣的狀況時是否可以維持其輸出電壓的穩(wěn)定,除此之外還可顯示出可能存在的環(huán)路穩(wěn)定性問題、電源供應的穩(wěn)定性問題、斜坡補償問題、負載調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換器在其負載發(fā)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(zhuǎn)換器面對快速瞬變負載時的響應】


電流模式轉(zhuǎn)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(fā)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的表現(xiàn)是穩(wěn)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(zhuǎn)換器響應過程的情形


01

不穩(wěn)定的控制回路:在控制回路調(diào)整得不太理想的情況下,轉(zhuǎn)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(xiàn)象,特殊情況下甚至將會進入振蕩狀態(tài)。

 02

不穩(wěn)定的電源供應:轉(zhuǎn)換器輸出端的負載跳變將促使轉(zhuǎn)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(wěn)定性不好,或是和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的輸出端,看起來就像轉(zhuǎn)換器的控制回路不穩(wěn)定一樣。

03

斜坡補償問題:電流模式轉(zhuǎn)換器利用斜坡補償方法避免高占空比應用中可能出現(xiàn)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?shù)碾娏骷y波,且在遇到階躍負載時出現(xiàn)不穩(wěn)定的次諧波。

04

在占空比極限下工作:當轉(zhuǎn)換器在接近最小/最大占空比的狀態(tài)下運行時,負載的快速階躍變化將使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的小信號環(huán)節(jié)和功率環(huán)節(jié)上,電壓的耗損和噪聲的耦合將會出現(xiàn),這將劣化轉(zhuǎn)換器對階躍負載的響應特性。如果負載處在遠離轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的負載調(diào)整性能。除此之外,當負載發(fā)生跳變時,路徑電感也能導致振鈴信號的出現(xiàn)。


如下圖所示的是一個3.3V/3A轉(zhuǎn)換器負載階躍響應較差與良好的例子。左邊的例子顯示調(diào)節(jié)器輸出電壓在負載暫態(tài)后產(chǎn)生了嚴重的振鈴情況,這表現(xiàn)出控制回路具有邊際穩(wěn)定性。在大多數(shù)情況下,這與反饋回路補償結(jié)合輸出電容值有關(guān)。





測試的實施


以下講述的是關(guān)于實測的案列,測試時發(fā)現(xiàn)使用者身邊的產(chǎn)品沒有測試過這個參數(shù),批量生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)后端MCU在現(xiàn)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(fā)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(fā)生器控制其通/斷的MOSFET開關(guān)。MOSFET開關(guān)的切換速度可以采用其柵極的可選的RC網(wǎng)絡進行調(diào)節(jié);MOSFET漏極連接的電阻R2可依據(jù)需求的動態(tài)負載調(diào)節(jié)幅度進行選擇;電阻R1用于設定負載階躍的靜態(tài)基點。負載電流的階躍變化可經(jīng)過示波器的電流探頭進行測量,對轉(zhuǎn)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(chǎn)生一個快速脈沖,AFG31252能夠簡單產(chǎn)生4ns的上升或者下降邊沿。


【測試環(huán)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(guān)穩(wěn)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(fā)生大幅度快速階躍時幾乎*沒有電壓過沖發(fā)生。那么這將是對于電壓敏感型負載特殊優(yōu)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(jīng)過手冊可以知道的是,因為這顆芯片支持多模式開關(guān)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(xù)檢測在不同模式轉(zhuǎn)換的過程中,是否還存在過壓發(fā)生。






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