開關電源測量的經驗總結

2021-01-10 電子產品世界

　　電子器件的電源測量通常情況是指開關電源的測量(當然還有線性電源)。講述開關電源的資料非常多，本文討論的內容為PWM開關電源，而且僅僅是作為測試經驗的總結，為大家簡述容易引起系統失效的一些因素。因此，在閱讀本文之前，已經假定您對於開關電源有一定的了解。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/277220.htm

　　1開關電源簡述

　　開關電源(Switching Mode Power Supply，常常簡化為SMPS)，是一種高頻電能轉換裝置。其功能是將電壓透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。

　　開關電源的拓撲指開關電源電路的構成形式。一般是根據輸出地線與輸入地線有無電氣隔離，分為隔離及非隔離變換器。非隔離即輸入端與輸出端相通，沒有隔離措施，常見的DC/DC變換器大多是這種類型。所謂隔離是指輸入端與輸出端在電路上不是直接聯通的，使用隔離變壓器通過電磁變換方式進行能量傳遞，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。

　　對於開關變換器來說，只有三種基本拓撲形式，即：

　　●Buck(降壓)

　　●Boost(升壓)

　　●Buck-Boost(升降壓)

　　三種基本拓撲形式，是電感的連接方式決定。若電感放置於輸出端，則為Buck拓撲;電感放置於輸入端，則是Boost拓撲。當電感連接到地時，就是Buck-Boost拓撲。

　　2容易引發系統失效的關鍵參數測試

　　以下的測試項目除了是指在靜態負載的情況下測試的結果，只有噪聲(noise)測試需要用到動態負載。

　　2.1 Phase點的jitter

　　

 

　　對於典型的PWM開關電源，如果phase點jitter太大，通常系統會不穩定(和後面提到的相位裕量相關)，對於200~500K的PWM開關電源，典型的jitter值應該在1ns以下。

　　2.2 Phase點的塌陷

　　有時候工程師測量到下面的波形，這是典型的電感飽和的現象。對於經驗不夠豐富的工程師，往往會忽略掉。電感飽和會讓電感值急劇下降，類似於短路了，這樣會造成電流的急劇增加，MOS管往往會因為溫度的急劇增加而燒毀。這時需要更換飽和電流更大的電感。

　　

 

　　2.3 Shoot through測試

　　測試的目的是看上MOS管導通時，有沒有同時把下管打開，從而導致電源直接導通到地而引起短路。如圖三所示藍色曲線(Vgs_Lmos)就是下管在上管導通的同時，被帶了起來，如果藍色曲線的被帶起來的尖峰超過了MOS管的Vth要求，同時持續時間(Duration)也超過了datasheet要求，從而就會有同時導通的風險。當然，這是大家最常見到的情況。

　　

 

　　下面這種情況有非常多的人會忽視，甚至是一些比較有經驗的電源測試工程師。下面組圖四是下管打開，上管關閉時候的波形(圖4-1是示意圖，圖4-2示實際測試圖)。雖然沒有被同時帶起的情況，但是請注意上下管有交叉的現象，而且交叉點的電平遠高於MOS管規定的Vth值，這是個嚴重的shoot through現象。最直接的後果就是MOS管燒毀!

　　

 

　　2.4相位裕量和帶寬(phase margin and bandwidth)

　　相位裕量和帶寬是很多公司都沒有測試的項目(尤其是規模較小的公司受限於儀器)，但是這卻是個非常重要的測試項目。電源系統是否穩定，是否能長時間(3年或以上)有效工作，相位裕量和帶寬可以在很大程度上說起了決定性的作用。很多公司完全依賴於電源晶片廠家給的參考設計方案裡的推薦值，但是跟你的設計往往有不小的差異，這樣會有很大的潛在風險。

　　如果系統是一個不穩定的系統，反映在一些電源測試項目裡面，會看到以下幾個主要問題。

　　●電源的Noise測試通過，但是電源依然不穩定。表現為功能測試fail.常常有工程師在debug時說我的電源noise已經很小了，加了很多電容了，為啥還是跑不動呢?其實是他的閉環系統本來就不穩定。

　　●Phase點jitter過大。這是比較典型的不穩定現象。

　　●瞬態響應(Transient response)太大。最笨的辦法就是加很多電容，去滿足瞬態響應的要求。對於低成本產品，這可是要錢的啊。

　　如果你沒有用正確的方法測試出系統的環路增益的波特圖，那麼你如何下手去調試這些項目讓他通過測試呢?只有來來回回不停作實驗。然後來來回回跑功能測試。Oh， my god，浩大的工作量。而且，對於一些低成本的產品，往往用到了鋁電解電容，MLCC電容等低成本方案(電感，電阻值基本沒有變化)。這些電容的容值會隨著時間變化而減少。如MLCC，系統運行在正常溫度兩年~三年，容值會變到原來的一半。而這一半電容的變化，會對系統的穩定造成很大的影響，這也是為什麼很多低價的產品質量不可靠的一個重要原因。那是不是說價格越高，用越多的電容就越好呢，當然不是。這就是為啥要測試phase margin的原因。你需要調試一組合理的值，能夠同時覆蓋全電容以及半電容的要求。這樣同樣能做到低價格高品質。

　　根據奈奎斯特定理對系統穩定性要求，規範要求一個閉環系統的相位裕量最少為60度，45~60度可以考慮為最低限額要求。對於帶寬，200~500K的開關電源的要求在10%~30%的開關頻率。從開關電源的穩定性看帶寬越低，電源越容易穩定。從開關電源的動態指標看，帶寬越高電源的動態性能越好。

　　下圖五為典型的波特圖：

　　

 

　　另外一點非常重要的是，除了PWM開關電源，有很多線性電源(LDO)，其補償網絡在晶片外部的，也要做類似的環路增益的波特圖測試，從而確保其穩定性。LDO的測試，是絕大多數廠家容易忽略掉的。比如如下圖六所示這種電路，很多人會直接測量noise完事。

　　

 

　　我們有可能會看到的相位裕量不能達到要求。如下圖七，只有30度左右。這個時候，只有調試不同的參數，才能得到比較好的結果。從而滿足系統穩定性的要求。

　　

 

　　2.5電源紋波(ripple)和噪聲(noise)

　　電源紋波和噪聲，看起來是電源測試裡面最簡單的項目。但是也有可能對你的測試結果和功能有比較大的影響。

　　首先是紋波，我們測試的時候，只是看是不是符合規範要求，比如30mV等等。有些時候，紋波和系統的PLL是有關係的。如果你的PLL jitter不過，可以考慮進一步減小ripple.

　　噪聲，有人會問，為啥我的系統noise和他的系統noise基本是一個範圍，但是我的系統會跑fail呢?首先我們要排除前面講的系統穩定性原因，然後，親，你有沒有用示波器做過FFT，看看同樣noise在頻域上的區別呢?

相關焦點

  • 變頻器開關電源維修故障總結
    損壞的可能有：        (1) 負載太大，以丹佛斯VLT5000為例，可能風機損壞、IGBT驅動線路短路，導致開關電源負載太重，開關電源電流過大，自動關斷。        (2) 開關電源線路工作不正常。丹佛斯VLT5000變頻器開關電源線路有穩壓、直流電壓檢測等，如果有任何一方面出現問題，都有可能導致此現象發生。
  • 圖解電腦開關電源維修
    它能有效的監控輸出端的電壓值，並向功率開關三極體發出信號控制電壓上下調整的幅度。在計算機開關電源中，由於電源輸入部分工作在高電壓、大電流的狀態下，故障率最高；其次輸出直流部分的整流二極體、保護二極體、大功率開關三極體較易損壞；再就是脈寬調製器TL494的4腳電壓是保護電路的關鍵測試點。通過對多臺電源的維修，總結出了對付電源常見故障的方法。
  • 用示波器進行開關電源測量和分析
    1 開關電源原理簡介　　1）、開關電源是一種高頻開關式的能量變換電子電路，常作為設備的電源供應器，常見變換分類有：AC-DC、DC-DC、DC-AC 等。
  • 開關電源維修教程_開關電源維修從入門到精通_開關電源故障檢修方法
    12v開關電源維修實例  下面給大家來一個12v開關電源維修實例分析，並且給出一些開關電源維修的經驗和技巧分享給大家： 　　3、對於具有PFC電路的電源則需測量濾波電容兩端電壓是否為380VDC左右，如有380VDC左右電壓，說明PFC模塊工作正常，接著檢測PWM組件的工作狀態，測量其電源輸入端VC，參考電壓輸出端VR，啟動控制Vstart/Vcontrol端電壓是否正常，利用220VAC/220VAC隔離變壓器給開關電源供電，用示波器觀測PWM模塊CT端對地的波形是否為線性良好的鋸齒波或三角形，如TL494
  • 如何去測試「高頻開關電源」噪聲
    如何去測試「高頻開關電源」噪聲 工程師3 發表於 2018-04-23 15:48:00 這篇文章以實際測試案例說明了測量電源紋波和測量電源噪聲在示波器帶寬要求上的不同及不同帶寬所引起的測量結果的巨大差異
  • 開關電源電路不起振
    電工學習網：www.diangon.com 關注電工學習網官方微信公眾號「電工電氣學習」，收穫更多經驗知識。      因為工作關係，設備用到開關電源較多，所以有機會接觸維修開關電源，積累了一點維修經驗，這次我來說說開關電源不起振的一點維修經驗，希望能給大家在維修時提供點參考。
  • 開關電源變壓器解析,如何判斷開關電源變壓器的好壞
    開關電源變壓器是加入了開關管的電源變壓器，在電路中除了普通變壓器的電壓變換功能，還兼具絕緣隔離與功率傳送功能一般用在開關電源等涉及高頻電路的場合。 　　 　　開關電源變壓器的分類及其參數： 　　開關電源變壓器分單激式開關電源變壓器和雙激式開關電源變壓器，兩種開關電源變壓器的工作原理和結構並不是一樣的。
  • 開關電源可以不用開關變壓器嗎?
    但這也得看什麼設備，今天我們就討論一下開關電源是否可以不用開關變壓器？開關變壓器的作用。實現輸入與輸出的隔離作用。為什麼要進行隔離呢？第一、開關電壓的輸入一般都是市電220V，由於市電來源於電網，含有諧波且市電不是很穩定，電壓會有浮動。第二、開關電源的輸出為直流，一般開關電源的直流輸出大致在3.3V~24V。
  • 《測量電源的電動勢和內阻》教案
    ，通過觀察變形後的表達式，引導學生思考：式中的U、I、R分別代表什麼，從而確定出需要測量的物理量有路端電壓、幹路電流以及外電阻。教師可以進行問題引導：1、實驗中只測量一組數據能否測量出電池的電動勢和內阻?
  • 電腦,開關電源維修圖解
    它能有效的監控輸出端的電壓值，並向功率開關三極體發出信號控制電壓上下調整的幅度。在計算機開關電源中，由於電源輸入部分工作在高電壓、大電流的狀態下，故障率最高;其次輸出直流部分的整流二極體、保護二極體、大功率開關三極體較易損壞;再就是脈寬調製器TL494的4腳電壓是保護電路的關鍵測試點。通過對多臺電源的維修，總結出了對付電源常見故障的方法。
  • 開關電源增益穩定性分析-電源管理-電子工程世界網
    但是由於受到右半平面零點的影響，以及原材料、運放的帶寬不能無窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無限制的提高，一般取開關頻率的1/20~1/6。三、環路的測試對環路的增益和相位的測量，我們通常可以利用環路分析儀（FRA）或增益-相位分析儀進行測量。
  • 開關電源的維修方法及基礎知識
    開關電源，又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。下面小課堂主要分享一下UC3842開關電源的維修要點。其實，好的開關電源維修是非常方便的，下方的開關電源就是一個好的例子。
  • 明緯開關電源常見故障_明緯開關電源的維修技巧
    4、輸出電壓高 　　（1）對於電源輸出電壓過高，故障大都在穩壓控制迴路是哪個，極少數出在電源開關管和開關變壓器。 　　（2）先排查控制迴路，看它使用有問題，不管「是」還是「不是」，繼續檢查電源開關管和開關變壓器，等確定所有損壞因素後再檢修。
  • 液晶顯示器開關電源常見故障檢修
    首先測量電源控制晶片的啟動腳是否有啟動電壓，若無啟動電壓或者啟動電壓太低，則檢查啟動電阻和啟動腳外接的元器件是否漏電，此時如電源控制晶片正常，則經上述檢查可很快查到故障。若有啟動電壓，則測量控制晶片的輸出端在開機瞬間是否有高、低電平的跳變，若無跳變，說明控制晶片壞、外圍振蕩電路元器件或保護電路有問題，可先代換控制晶片，再檢查外圍元器件;若有跳變，一般為開關管不良或損壞。
  • 開關電源負載、輸出電壓測試要點匯總——民熔電氣大牛的經驗之談
    開關電源，又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。民熔開關電源利用的切換電晶體多半是在全開模式及全閉模式之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點，切換之間的轉換會有較高的耗散，但時間很短，所以民熔開關電源比較節省能源，產生廢熱較少。
  • 電源設計經驗:RC吸收電路篇
    打開APP 電源設計經驗：RC吸收電路篇 電子發燒友 發表於 2019-03-04 11:46:26 高頻開關電源在開關管關斷時，電壓和電流的重疊引起的損耗是開關電源損耗的主要部分，同時，由於電路中存在寄生電感和寄生電容，在功率開關管關斷時，電路中也會出現過電壓並且產生振蕩。
  • 開關電源變壓器的鐵心磁滯回線測量與匝間短路的判斷
    現代電子設備對電源的工作效率和體積以及安全要求越來越高，在開關電源中決定工作效率和體積以及安全要求的諸多因素，基本上都與開關變壓器有關，而與開關變壓器技術性能相關最大的要算是變壓器的鐵芯材料。變壓器的鐵芯材料的磁滯損耗和渦流損耗大小是決定變壓器的鐵芯材料技術性能好壞的最重要因素。因此，對變壓器的鐵芯材料進行磁滯回線測量是必要的。
  • 開關電源的軟啟動過程分析
    摘要：本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/275220.htm　　過去，要測試電源的特徵，我們只是停留在用萬用表測量靜態電流和電壓，並用計算器進行複雜的計算。
  • 開關電源維修經驗之談——民熔電氣大牛的精妙技巧匯總不來看看?
    民熔開關電源的高轉換效率是其一大優點，而民熔開關電源工作頻率高，也可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，民熔開關電源重量也會比較輕。民熔開關電源產品廣泛應用於工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明等領域。
  • 你真的了解開關電源嗎?
    雖然市面上有很多介紹開關電源的書籍，但仍然缺少快速入門及經驗總結類的資料，所以，儘管資料豐富，但還是有很多人不知道怎樣利用。當然這篇文檔只是入門介紹，深入研究還要看其他專著。從電網得到的交流電或由電池取得的直流電是隨環境溫度、時間和負載所變化的，它們不能直接成為電子設備所需的內部電源。