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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。
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AN079 January 2024 www.richtek.com
1
DC-DC 转换器的输出纹波测量方法 II
Roland van Roy | AN079
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。
目录
1 导言 ....................................................................................................................................................................... 2
2 技巧 1:检查设备和环境杂讯 ................................................................................................................................ 3
3 技巧 2:了解可能期望的纹波信号种类 ................................................................................................................. 4
4 技巧 3:了解寄生效应 ........................................................................................................................................... 6
5 技巧 4:影响纹波测量的开关转换器中的噪声源 ................................................................................................... 7
6 技巧 5:低噪声开关信号测量 ................................................................................................................................ 9
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 ............................................... 10
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 ............................. 18
9 DC-DC 转换器增益相位测量设置技巧 ................................................................................................................. 24
10 实用增益相位测量范例 ........................................................................................................................................ 25
11 总结/实用建议 ...................................................................................................................................................... 29
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AN079 December 2023 www.richtek.com
2
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:
• 纹波电压较小,测量设备必须具备足够的灵敏度,有时需要使用特殊探头。示波器通常用于测量供电电压纹
波。
• 纹波测量总是在一定的频宽范围内进行。20MHz 频宽最常用,但某些应用可能需要更高的测量频宽,如
200MHz。
• 电源供应器的负载可能对测量到的纹波产生重大影响。这对于在轻载条件下以脉冲跳跃或经济模式运行的电
源供应器尤为重要。此外,在纹波测量期间的动态负载变化可能会增加测得的纹波值。
• 测量环境会很容易地影响测量数值,特别是在高频率切换信号附近使用高频宽装置进行测量时。同样,附近
的设备,甚至是测量设备本身,都可能将杂音引入纹波测量中,这不应被误解为被测设备产生的杂音。
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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。
开启 LED 灯的环境杂讯测量
关闭 LED 灯的环境杂讯测量
在 LED 灯开启的状态下进行的测量,显示出 21mVpp
的开关杂讯(10:1 探头,500MHz 频宽)。
在 LED 灯关闭的状态下进行的测量,开关杂讯降低至
10mVpp(10:1 探头,500MHz 频宽)。
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。
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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 DI
L
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:
这适用于低 ESR 的多层陶瓷电容 MLCC。
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。
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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 T
ON
和 T
OFF
期间由正三角形电流充电,并在 T
SLEEP
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:
=
L
2∙C
OUT
∆I
L
2
V
IN
V
OUT
(V
IN
- V
OUT
)
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 T
ON
+ T
OFF
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 T
ON
的 PSM。
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