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DC-DC转换器的输出纹波测量方法II

2024-3-19 13:04| 发布者: 闪电| 查看: 13| 评论: 0

摘要: 输出电压纹波是电源转换器的一个重要参数。某些负载对供电的电压纹波非常敏感,而某些Vcore对供电电压的要求很高,需满足严格的容受范围,其中包括静态容忍度、供电电压纹波和负载瞬态过冲/下冲电压。要能准确测量纹 ...


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图24


零负载PSM纹波测量:

PSM开关行为的细节:

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转换器的操作频率非常低:256Hz

ON时间为510nsec,比CCM ON时间的750nsec短。PSM纹波振幅为32.8mVpp。

图25


RT6252A的一个特点是,在PSM模式下它减小了ON时间,以减小PSM纹波振幅。

在PSM模式期间计算的输出电压纹波 Technical Document Image Preview 为33.2mVpp,因此,测得的纹波为28.8mVpp,与计算结果相当吻合。



8 实际案例2:RT5760A ACOT®降压转换器,应用于5V到1.2V,1A,小尺寸,低纹波应用

RT5760A是一款成本效益高的6V额定电压,第三代低压ACOT降压转换器,具有1A的输出电流能力和轻载时的自动PSM模式。2.2MHz的开关频率、SOT563封装和使用小型主要组件,使得总应用电路面积非常小。电路板的线路图和布局如图26所示。

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图26


在这个小型线路布局中,单一的MLCC输出电容C5位于非常靠近电感的位置,该电感是Murata的半屏蔽型LQH32类型。10μF/6.3V 0603 MLCC输出电容在1.2V DC偏压下,会下降到8.6μF,在低交流电压纹波下可能再下降10%。这个电容的ESR为3mΩ,ESL约为0.2nH(见图27)。对于这个应用的计算,我们使用8μF的有效电容,3mΩ的ESR和0.2nH的ESL。

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图27


1μH 2.3A 电感LQH32PN1R0NN0的自共振频率为150MHz,因此C-parallel 为1.1pF。

电感纹波电流Technical Document Image Preview 为0.42App

输出电容CCM 纹波电压Technical Document Image Preview 为2.94mVpp

1.5mΩ ESR, 加上 Technical Document Image Preview的1.25mVpp, 所以总共CCM 纹波为4.19mVpp

对于具有寄生组件的高频行为,下面的LTSpice模拟显示了结果:(图28)

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图28


可以看到,输出波形是抛物线(Cout电容)、三角波 (Cout ESR)、电压方波 (Cout ESL) 和高频尖峰(由于电感并联电容和Cout ESL引起)的组合。


8.1 第一次使用小接地环路的测量:

图29显示了使用PCB输出电压接头/短接地环探头连接的输出纹波测量(距离单个输出电容C5有一定距离,以及用于测量开关波形的电容接收方法)。

输出纹波量测(10:1探头)

输出纹波量测(1:1探头)

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量测 (20MHz BW) 使用10:1探头

量测 (20MHz BW) 使用1:1探头

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由于纹波较小,10:1探头的灵敏度不足

1:1探头对小纹波测量提供更好的灵敏度

图29


对于这种非常低的输出电压纹波测量,10:1探头的灵敏度不足,1:1探头则提供更好的结果。

同时可以看到,短探头环路连接仍然会吸收相当多的电感寄生场:测量的波形(9.1mVpp,带有较大的电压方波)与模拟和计算的 (4.2mVpp) 结果非常不同。


8.2 第二次使用扭转线的测量:

图30显示了使用1:1探头的输出纹波测量,直接连接到MLCC输出电容器C5。扭转线的连接方式使小环路垂直放置,以最小化电感杂散磁场的耦合。

输出纹波测量(注意电感方向)

输出纹波测量(反转电感方向)

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测量(20MHz带宽)(注意电感方向)

测量(20MHz带宽)(反转电感方向)

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测量没有显示任何电压方波

测量仍显示相当大的电压方波

图30


扭曲的电线连接的环路比之前的接点 + 短接地环路探头连接还要短,但从上面的测量结果可以看出,在反转电感方向时,纹波测量结果仍存在一些差异。因此,由于电感与高频讯号非常近,是很难避免一些电感杂散场杂讯耦合到小的扭转电线中。为了减少电感杂散场的影响,我们可以尝试移动输出电容来远离电感。


8.3 第三次使用扭转电线进行测量,并将电容移离电感

图31显示了使用扭转电线进行的纹波测量,并将输出电容移离电感8mm的位置:

输出纹波测量(注意电感方向)

输出纹波测量(反转电感方向)

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量测 (20MHz BW)(注意电感方向)

量测 (20MHz BW)(反转电感方向)

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测量结果显示的振幅 (4.2mVpp) 和波形形状与模拟结果(4.19mVpp) 相似

反转电感方向时,波形形状和振幅非常相似

图31


使用扭曲的线连接和将输出电容移离电感8mm后,现在纹波测量结果与两种电感方向的计算和模拟相符合。请注意,ACOT®转换器仍存在一些频率抖动(OFF时间变化),这导致测得的纹波振幅出现一些不规则性。

输出纹波测量使用1:1探头和500MHz示波器带宽设置,以及电容接收法进行开关波形测量(见图32):

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图32

可以看到,使用高带宽设置的示波器进行测量,结果并未显示太多额外的高频尖峰。这主要与1:1探头有关,其有效带宽为15MHz。大多数1:1探头的带宽相对较低,因此它们实际上不能显示高频信号。


8.4 PSM测量:

对于RT5760A EVB板上的PSM纹波测量,我们移除负载电阻,并使用与CCM模式纹波测量相同的方式来测量输出纹波(用于纹波测量的扭转线方法和用于开关波形测量的电容式取样法),参见图33。

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图33


RT5760A 零负载PSM纹波测量

PSM开关行为的细节

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转换器的工作频率非常低:464Hz

开启时间为138nsec,略大于CCM模式的124nsec。 PSM纹波幅度为24.4mVpp

图34


在PSM模式下计算的输出电压纹波为 Technical Document Image Preview 为29.4mVpp,因此测得的纹波为24.4mVpp,与计算结果相差不远。



9 DC-DC转换器增益相位测量设置技巧

电源转换器控制回路增益相位测量,可以通过将正弦波小信号输入回授网路,并测量转换器输出端插入点两侧的正弦波纹波幅度和相位来进行。(见图35)。

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图35


正弦波小信号的振幅必须尽量保持较小,以避免改变电源转换器的操作工作点,因此在测量点的正弦波信号幅度也会相当小。为了获得准确的增益相位测量结果,测量应具有高灵敏度,并且所测得的信号应具有低开关杂讯噪声。因此,先前讨论的输出纹波测量方法也可应用于增益相位测量。

在进行增益相位测量时,扭转线方法非常有用:灵敏的测量点须远离开关转换器,信号输入变压器引线、CH1探头和CH2探头都可以方便地连接到扭转的线端,离PCB也要有一定的距离(见图36)。

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图36



10 实用增益相位测量范例

图37显示了RT6363GQW 60V/3A降压转换器在24V至5V/3A应用中的增益相位测量设置。

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图37


RT6363GQW是一个额定电压为60V/3A的电流模式降压转换器,通常应用于工业领域。在这个24V到5V/3A的应用中,切换频率设定为1MHz,并搭配24μF的有效输出电容,外部补偿设定为60kHz的交叉频率。为了进行增益相位的测量,增加了一个1.7A的电阻性负载以确保连续导通模式的运作。在回授网路的顶部插入了一个4.7Ω的电阻,正弦波小信号通过这个电阻作输入。图38显示其电路图。

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图38


为了最小化测量中的杂讯,4.7Ω电阻的测量点与接地线连接在一起,同时连接到靠近回授网路的一个干净的小信号地线。插入变压器和两个1:1的探头连接到扭转线的另一侧。见图39。

1:1探头连接的细节。使用电容式取样方法来测量切换信号。

扭转线的细节。地线连接到靠近回授网路的EVB小信号地线。

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