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。要能准确测量纹波不容易，特别是对于高频开关式电源转换器。本篇应用笔记将介绍一些实用的设计技巧来测量输出电压纹波。 1 导言现代电子应用通常包含嵌入式计算和无线连接功能，这些电路通常具有高脉动和重载行为，同时需要低输入电压纹波。因此，新一代的DC-DC转换器需要具有快速瞬态响应，以在快速波动的负载条件下维持稳定的输出电压，并且输出纹波应该要很小，以避免损害对敏感电路性能的影响。能够精准地测量功率转换器的输出纹波可能是一项挑战。本文将解释DC-DC转换器的输出纹波，并提供有用的设计技巧，以获得更准确的测量结果。 以下列举了一些重要的考虑事项：
2 技巧1：检查设备和环境杂讯在进行纹波测量之前，需要进行一次环境检查。将测量探头尖端连接到探头的地线，然后将其放置在实验室桌上，如下图1所示。设置示波器为最大频宽，并确保具有足够的采样率。
图1 从上述测量例子可以看出，一个简单的10:1探头，在高频宽设置 (500MHz) 下，其接地环路很容易从环境中接收到杂讯。在进行纹波测量时，必须确保杂讯较大的设备已关闭。 3 技巧 2：了解可能期望的纹波信号种类在进行纹波测量时，了解可预期的情况也是有帮助的，因此在将示波器连接到您的电路板之前，进行一些纹波计算或模拟是一个好方式。 3.1 连续导通模式 (CCM) 输出纹波对于降压转换器（图2），在连续导通模式 (CCM) 中，横跨输出电容器的输出纹波是由于流经输出电容器的电感纹波电流引起的。由于电容器电压是电容器电流的积分，而在CCM中的电感纹波电流是一个三角波形，因此在CCM中的纯电容器纹波电压由正负的抛物线电压组成，如下图3所示。
图2
图3 电感纹波电流 DIL 可以从以下公式计算： 输出电容器纹波电压可以从以下公式计算： 如果输出电容器有一些等效串联电阻 (ESR)，纹波电压将会增加，公式如下： 在使用MLCC电容时，需确保在进行计算时，考虑直流偏压DC，以获得有效电容值。 从公式中可以看出，负载电流不在其中。这意味着在降压转换器保持在连续导通模式 (CCM) 时，输出纹波电压不会随着负载电流的变化而改变。 3.2 脉冲跳跃模式 (PSM) 输出纹波立锜的降压转换器系列通常有一个在轻载条件下运行于脉冲跳跃模式 (PSM) 的版本。当负载电流减少到某个值时，电感纹波电流谷值将达到零。具有PSM模式的零件将开始在二极管仿真模式下工作，这意味着低端 (low-side) MOSFET只会在电感电流的正部分开启。在电感电流变为负值时，高端 (high-side) 和低端MOSFET都将关闭，并且开关波形将显示出一些阻尼振铃 (damped ringing)，这是由电感和开关节点的寄生电容的共振引起的。在输出放电的同时，转换器将保持在这种低Iq休眠模式中。一旦反馈电压达到PSM电压参考阈值，PWM会开启一段时间TON（见图4）。
图4 在轻载条件下的操作中，输出电压将在TON和TOFF期间由正三角形电流充电，并在TSLEEP时间内由负载电流缓慢放电，此时两个MOSFET都关闭。 在PSM模式下的输出电压纹波可以通过以下方式进行估算： 对于ACOT®转换器，在PSM模式下的ON时间类似于CCM模式下的ON时间： 电流模式转换器通常在PSM期间设定一定的电感峰值电流： PSM输出纹波幅度取决于负载电流：当负载增加时，纹波幅度将减小，因为负载电流在TON + TOFF期间也会放电电容器。上述公式适用于非常轻（实际上为零）的负载和单次TON的PSM。 4 技巧 3：了解寄生效应转换器输出纹波可能会受到组件寄生参数的影响，特别是在较高的开关频率下。 输出电容ESR将向输出纹波中添加一个三角波电压。MLCC电容的ESR非常低，约为3至5mΩ。 聚合物电容的ESR较高，通常在10至50mΩ之间。对于这些类型，输出纹波中的三角波形将更加明显。 输出电容还具有寄生串联电感ESL。对于MLCC类型，ESL相当小，约为0.2至0.4nH，但聚合物电容的ESL较高，约为1至2nH。在降压转换器中，ESL将会在总电压中添加一个方波。不同电容器寄生参数的影响显示在图5中。
图5 电感具有寄生并联电容，取决于结构、尺寸和额定值，范围从几个到10~15pF不等。电感的并联电容将使一些快速边缘的开关波形转移到输出，导致测得波形中的高频尖峰（见图6）。您需要将示波器设置为高频宽以查看这些尖峰。
图6 5 技巧4：影响纹波测量的开关转换器中的噪声源输出纹波通常很小，因此示波器需要设置为高电压灵敏度。这种设置很容易受到电源产生的杂讯的影响。最常见的杂讯源之一是电感的漂移磁场 (stray magnetic field)。许多常见的便宜电感是半屏蔽的I型磁心，其绕线周围包裹着铁氧体粉末环氧树脂。这些电感仍会产生相当大的漂移磁场。任何附近的回路都会收到一些漂移磁场，并且回路电感会在回路端产生一小部分方波电压。 图7显示了一个尺寸紧密的降压转换器电路板，带有半屏蔽线圈，以及示波器探头带有相对较大的接地线环。这个环可能会捕捉到电感的漂移磁场，而导致在输出电压纹波测量中增加一个方波。
图7 图8（红色波形）显示了在测量时受到漂移磁场影响可能产生的输出纹波波形：可以看到开关转换器的方波被附加在纹波电压上。附加波形的极性取决于电感的方向和接收回路的方向。
图8 在底部的红色波形中，波形中的电压步阶可能是由输出电容器的ESL引起的，或者是由电场辐射进入探头尖端和接地的测量回路引起的。这可以通过移动探头来检查：如果在不同方向移动探头环时，超载方波有振幅变化，表示杂讯是由于探头环的漂移场引起。这就是为什么在测量靠近电感时，探头尖端到探头地端的回圈要最小化的重要原因。另一种检查的方法是在PCB上反转电感的方向：如果附加波形的极性反转，则表示纹波波形中的电压跳跃也来自于探头环的漂移场。 图9显示了一种更好的测量输出纹波的方法：长接地线被环绕在探头尖端接地环周围的短弹簧所取代。这种方式可以显着减小了接地回圈的面积，并减少了漂移场的影响。
图9 然而，在某些情况下，即使是更小的回圈仍然会耦合杂散磁场，特别是在高频转换器中，而且是在测量点非常靠近电感时。对于这些情况，最好使用一小段扭曲的电线，让输出电容器端的回圈面积变得非常小，并且将探头连接到距离电感有一定距离远的地方，如图10所示。使用扭曲电线的方法也会更容易将脆弱的探头尖端连接到测量点。IC封装引脚的量测也可以如此使用。
图10 6 技巧5：低噪声开关信号测量有时可能会希望同时可以测量开关波形和输出纹波电压，例如利用开关波形触发示波器。当直接连接第二个探头到开关信号，如图11所示，您会发现这种连接会在输出纹波电压测量上添加大量的开关杂讯。
图11 在纹波测量中出现的额外开关杂讯是由于测量开关波形的CH2探头的探头电容引起的：开关信号的快速上升和下降时间导致高频电流脉冲进入长的CH2探头线。这种高频电流会引起大量高频辐射，而这种高频杂讯则会进入输出电压纹波测量中。 您可以尝试使用非常短的接地线来连接CH2探头与开关信号，但更简单的解决方法，是最小化CH2探头中的高频电流。可以通过将CH2探头放置在靠近开关信号的位置，而不是直接连接到开关信号上，来收集到有用的开关信号。在这种情况下，CH2探头中的高频电流是最小的，且CH1纹波测量就不受到影响。当然，您将失去开关信号的直流信号，但对于在开关波形上触发示波器，电容式取样 (capacitive pick-up) 的效果良好。一个简单方式可以实现稳定的开关信号电容式取样，就是将一根绝缘的电线焊接到开关信号上：将电线的绝缘部分部分拉出，并将探头夹在绝缘的顶部。探头夹到电线内部导线的距离将决定电容式取样的量。见图12。
图12 7 实际案例1：RT6252A ACOT®降压转换器，应用于12V到5V、2A的小型应用RT6252A是一款成本效益高、额定电压为17V的第三代ACOT®降压转换器，具有2A的输出电流能力，并在轻载时自动进入PSM模式。转换器在CCM模式下运行，频率为580kHz。EVB的原理图和布局如图13所示。
图13 两个22μF/6.3V的0805 MLCC输出电容在5V直流偏压下，降至8μF，而在低交流电压纹波下，可能再下降30%。每个电容的ESR为3mΩ左右，并且约为0.2nH的ESL（参见图14）。对于这个应用的计算，我们使用14μF的总电容、1.5mΩ的总ESR和0.1nH的总ESL。
图14 电感MNR5040-4R7的自谐振频率为43MHz，因此C-parallel为2.9pF。 电感的纹波电流 输出电容CCM纹波电压 这个1.5mΩ的等效串联电阻增加了 对于具有寄生组件的高频行为，一个简单的LTSpice模拟显示如下结果：（见图15） 相关分类 |
