Roland van Roy | AN079 from RICHTEK
輸出電壓紋波是開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的一個重要參數(shù)。某些負載對供電的電壓紋波非常敏感，而某些Vcore對供電電壓的要求很高，需滿足嚴(yán)格的容受范圍。準(zhǔn)確測量紋波不容易，特別是對于高頻開關(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)計技巧，以獲得更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
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實例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，并在輕載時自動進入PSM模式。轉(zhuǎn)換器在CCM模式下運行，頻率為580kHz。EVB的原理圖和布局如圖13所示。
圖13
兩個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%。每個電容的ESR為3m?左右，并且約為0.2nH的ESL（參見圖14）。對于這個應(yīng)用的計算，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。
對于具有寄生組件的高頻行為，一個簡單的LTSpice模擬顯示如下結(jié)果：（見圖15）
圖15
7.1 第一個帶有接地回圈的測量裝置（見圖16）
我們連接了一個5?（1A）的負載電阻，以進行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測量開關(guān)波形。
有關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器中電感方向的注意事項：SMD電感最好安裝在這樣的方向，其中繞線的開始（靠近內(nèi)部磁心）連接到開關(guān)節(jié)點。在Buck轉(zhuǎn)換器中，外部繞線將連接到輸出電容節(jié)點（它在高頻時具有低阻抗），因此外部繞線充當(dāng)了開關(guān)信號的屏蔽層。這有助于改善EMI。當(dāng)將繞線端連接到開關(guān)節(jié)點時，外部繞線區(qū)域?qū)⑸l(fā)更多的高頻電場。
在改變電感器方向同時，漂移磁場也將反轉(zhuǎn)，這都可能會影響紋波測量。
圖16
圖17 第一種量測結(jié)果
從測量中可以看出，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，紋波電壓的形狀仍存在很大的差異。因此，紋波測量都不準(zhǔn)確。
7.2 第二個帶有較小接地回圈的測量設(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，連接到輸出電壓測量的接點。CH2探頭（青色環(huán)）用于使用電容式取樣方法測量開關(guān)波形。
圖18
圖19 第二種量測結(jié)果
從第二次測量可以看出，較小的探頭回圈耦合的電感漂移場要少得多，但在改變電感方向時，兩次測量之間仍然存在一些差異。
7.3 第三個帶有扭曲電線的測量設(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，遠離電感和開關(guān)的軌跡。CH2探頭（青色環(huán)）用于使用電容式取樣方法以測量開關(guān)波形。
圖20
圖21 第三種量測結(jié)果
扭轉(zhuǎn)電線方法呈現(xiàn)出非常清晰的輸出紋波測量，而且反轉(zhuǎn)電感方向時波形也幾乎不變，這意味著測量中幾乎沒有漂移場耦合。
CCM紋波測量為22.6mVpp，略高于計算的18.7mVpp。請注意，ACOT®轉(zhuǎn)換器存在一些頻率抖動（OFF時間變化），這導(dǎo)致測量紋波振幅中的一些不規(guī)則性。
7.4 高頻寬設(shè)置 (500MHz) 的測量：檢查CH2探頭開關(guān)信號測量的影響
圖22顯示了在測量開關(guān)信號時，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對測量增加大量雜訊。而電容式取樣方法幾乎不會增加任何雜訊。電容式取樣的量，可以透過改變探頭夾與絕緣電線銅芯的距離來調(diào)整。
在高頻寬設(shè)置中進行測量的最佳方法，就是盡可能減少連接設(shè)備到DUT，只連接（電阻）負載和只連接CH1探頭即可（見圖23左側(cè)）。然而，如果需要查看開關(guān)波形（例如用于示波器觸發(fā)），電容式取樣方法對高頻讀取的影響會較小。
圖23
上述紋波測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?？焖?(50psec) 的訊號受到示波器和探頭的500MHz帶寬限制的衰減。
7.5 PSM紋波測量
我們可以移除電阻負載以實現(xiàn)低負載的PSM操作，并以與CCM模式紋波測量相同的方式來測量輸出紋波。我們使用扭轉(zhuǎn)電線方法進行紋波測量，使用電容式取樣方法進行開關(guān)波形測量，參見圖24。
圖24
圖 25
RT6252A的一個特點是，在PSM模式下它減小了ON時間，以減小PSM紋波振幅。
在PSM模式期間計算的輸出電壓紋波
為33.2mVpp，因此，測得的紋波為28.8mVpp，與計算結(jié)果相當(dāng)吻合。
未完待續(xù)...
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