Roland van Roy | AN079 from RICHTEK
輸出電壓紋波是開(kāi)關(guān)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。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。
書接前文[ 深度好文 | RICHTEK DC-DC輸出紋波測(cè)量注意事項(xiàng)(1) ] [ 深度好文 | RICHTEK DC-DC輸出紋波測(cè)量注意事項(xiàng)(2) ]...
實(shí)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。
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)⑸l(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。
圖16
圖17 第一種量測(cè)結(jié)果
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
圖19 第二種量測(cè)結(jié)果
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
圖21 第三種量測(cè)結(jié)果
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。
圖22
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。
圖23
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
圖 25
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。
未完待續(xù)...
推薦訂閱：免費(fèi)[ 開(kāi)關(guān)電源寶典 ][ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK ]，付費(fèi)[ 電壓參數(shù)合集 ][ 電流參數(shù)合集 ]...
“推薦”與朋友“分享”你的世界??