电源设计1【测试方法、LDO】
介绍了电源设计中主要关注的参数，介绍了电源测试中具体的测试项目及测试方法，介绍了LDO线性稳压电源的基本原理、设计关键和主要参数
电源设计基础1【测试、LDO】
文章目录
1 电源的主要参数
- 电源输入输出：输入的最大值、最小值、经典值；输出的典型电压值、最大电流值；
- 输出纹波 Δ V \Delta V ΔV、噪声 1 F \frac{1}{F} F1；
- 轻载效率，满载效率；
- 功率耗散与温升，工作温度范围；
- 电路占板面积；
- 电源的其他功能：
- Shutdown关机、PowerGood指示；
- 线性调整率：输入电压变化时，输出电压的变化情况；
- 负载调整率：负载调整时，输出电压的波动情况；
- 输入反接保护、输出反灌保护、短路保护、电流限制、EMC/EMI；
- 电压电流温度回读功能、上下点跟踪与时序。
2 电源测试
2.1 效率与静态电流测试
效率测试
效率测试直接影响到系统电源的可靠性，低效率也会给系统带来散热问题。效率的计算公式为：
η
=
P
O
U
T
P
I
N
\eta = \frac{P_{OUT}}{P_{IN}}
η=PINPOUT
P
O
U
T
P_{OUT}
POUT为输出功率，为输出电压和输出电流的乘积；
P
I
N
P_{IN}
PIN为输入功率，为输入电压和输入电流的乘积。
影响效率的因素
电源的损耗通常包括导通损耗、开关损耗、驱动损耗、阻性元件的直流损耗等，电源效率与输入电压和输出负载有关。评估电源时，通常需要在几个不同的输入电压水平下测量效率，以便更好地判断出电路中的损耗究竟在何处。
低输入电压下效率下降，这通常是由于电路中的阻性元件产生的导通损耗造成的。这些损耗之所以会在低输入电压下增加，是因为需要较高的电流来维持相同的输出功率。而高输入电压下的效率下降，通常是由于开关损耗造成的。这些损耗来自寄生电容。在高输入电压下损耗增加，是因为寄生电容会在更高的电压下充放电。
效率分为冷机效率和热机效率。冷机效率为系统刚启动时的电源效率；热机效率为系统满载运行一段时间后的电源效率。一般来说，电源的效率会随着温度增加而降低，因此，热机效率往往更低，设计时更应仔细考虑。
静态电流测试
方法一：将高精度万用表（6位半）串入电源输入端，直接测试输入电流。
方法二：如图1所示，在电源输入端串入一个10K电阻，可以将几
μ
A
\mu A
μA的静态电流电流放大1万倍，转换成电压信号进行测试。但在电源启动阶段，电源是需要一定电流的（毫伏级），仅使用一个大电阻因限流会导致电源启动不成功。这时，可以手动在该电阻上并联一个二极管，在启动阶段，通过二极管给电源供电；等电源启动成功后去掉二极管，这时，可以直接通过普通万用表测得输入大电阻上的电压，从而得到静态电流值。
2.2 输出测试
1、输出电压调整率
源调整率 Line Regulation：指输出电压随输入电压变化情况。
负载调整率 Load Regulation：输出负载变化时，输出电压的变化情况。
温度调整率：在电源工作温度变化范围内，输出电压的变化情况。
测试方法：1、将万用表接入电源输出端，接上输入电压（输入电压为额定值）和输出负载，可以测得空载情况下的输出电压值 V 1 N V_{1N} V1N，增加负载至电源满载状态，可测得满载电压 V 1 F V_{1F} V1F。2、再将输入电压调至最低工作电压，测得此时的空载输出电压 V 2 N V_{2N} V2N和满载输出电压 V 2 F V_{2F} V2F。
2、输出纹波 Output Ripple
测量方法：将示波器调至交流档、20MHz带宽；使用接地环，确保接地环路尽可能地小；测试位置在输出电容的最末端。测试时需要用电子负载改变电源的负载大小，记录不同负载下，电源的纹波、输出电流、开关(对于开关电源)的波形。
3、动态负载测试（电源的瞬态响应） Transient
测试方法：使用电子负载，测试负载电流突然变化时，输出电压的过冲或反过冲值。
具体测试流程：
- 连接：将电子负载和示波器分别并联在电源输出端和地上，注意电源和电子负载的极性。
- 电子负载设置：将电子负载设置为CC模式(定电流)，设置A值(电流最大值)、B值(电流最小值)、上升/下降斜率、频率、占空比等参数。一般来说，将A值选定为电源的额定电流；B值初始设为A值的80%，（B值为满负载的30%，A值为满负载的60%）后续根据实际进行调整；斜率表示了负载电流的变化速率，斜率越高意味着负载变化电流中的有效频率越高，可以按电子负载的最大值来选择；频率和占空比通常选用1KHz、50%作为初始值，后续可依据实际进行调整。
- 示波器设置：设置为交流耦合，垂直档位和采样时间调整至合适值。打开示波器的平均采样模式，可以获得低噪声的瞬态响应测量曲线。
- 观察示波器的电压波形，包括电压波动幅值、响应时间。
通过瞬态响应测试，估算控制环路带宽
从负载开始变化到电源输出开始响应的这段时间称为阶跃负载响应时间（
t
R
t_R
tR）。通过这个时间，能按以下公式估算电源回路带宽和单位增益频率。通常将DCDC带宽设置在10%工作频率以下，避免动态响应波形振荡。
B
a
n
d
w
i
t
h
≈
0.3
t
R
Bandwith \approx \dfrac{0.3}{t_R}
Bandwith≈tR0.3
4、Rise Time & OverShoot
上电时，上电速度是否过慢或者过快，是否有过冲产生毛刺。
5、Fall Time & UnderShoot
掉电时，掉电速度是否过慢或者过快，是否有过冲产生毛刺。
6、电源时序 Power Sequency
上电时，测试系统各个电源上电顺序是否与设计一致。
7、电源保护功能 Protection
对于一些带有保护功能的芯片，一般还需要测这三项。
过流保护(OCP)
短路保护(SCP)
输出过压保护(OVP)
下面为DC/DC特有：
8、相位抖动 Phase Jitter
测量开关电源SW结的开关波形，理论上在负载不变时，该点的波形应该是稳定的PWM波，但实际波形会有轻微抖动，使用示波器的叠加功能可以看出波形的抖动幅度。
9、MOS Vds Spike
对于外接MOS的开关电源，需要测试两颗MOS管的漏源极电压(
V
D
S
V_{DS}
VDS)波形，观察开关时电压毛刺是否过高，防止超过MOS耐压。
3 LDO设计要点
3.1 LDO电源拓扑
LDO主要是由一个工作在线性区的调整管(晶体管或者MOS管，各有特点)以及一个放大器构成。如图2所示，由采样电阻 R 1 R_1 R1和 R 2 R_2 R2构成分压网络，对输出电压进行采样，通过放大器与内部参考电压 V R E F V_REF VREF比较，再通过驱动调整管，调整输出电压。LDO基于反馈的原理，通过将输入电压、负载变化等对输出电压产生的影响反馈至放大器，实现对输出电压的快速调节。图中的D2是一个反向的稳压二极管。
从电源拓扑可以看出，LDO是通过改变调整管的开关程度，从而实现降压。由于调整管的导通电阻等影响，输入与输出必然会存在一个电压差。输出电流越大，这个导通电阻带来的压降会越大。一般而言，采用MOSFET的LDO，压降会比用晶体管做调整管的LDO要小。同时，输入输出的压降会以热能的形式消耗掉，输入输出电压差越大，输出电流越高，工作温度越高，压降带来的功耗会越大。由此产生了两个我们需要关注的参数：功耗和温度。
目前LDO大多使用MOS管，具体特点需要结合NMOS和PMOS的器件特性来分析。(待补充)
3.2 LDO关键参数
-
最小压降（Dropout Voltage）
在某种输出电流情况下，输入输出的最小电压差。不同的芯片工艺和结构(NMOS和PMOS)，压降不同；工作电流不同，压降不同；通常电流越大，温度越高，压降越大。 -
输入电压
器件耐压要考虑输入电压的最高瞬态值；长输入电缆情况，要考虑浪涌电压；通常按2倍选取耐压值比较安全。 -
输出电流
温度越高输出电流越小；
需要的输出电流越大，散热问题越严重(需考虑散热与芯片封装)；
大电流应用建议使用开关电源。 -
热阻参数
LDO的最大功率损耗 P D P_D PD为最大输入输出电压差与输出电流的乘积，再加上静态功耗。芯片内核的温度 T J T_J TJ可用以下公式计算：
P
D
=
[
V
I
N
(
m
a
x
)
−
V
O
U
T
]
×
I
O
U
T
+
I
Q
×
V
I
N
(
m
a
x
)
T
J
=
T
A
+
P
D
×
θ
J
A
=
T
A
+
P
D
×
(
θ
H
E
A
T
S
I
N
K
+
θ
C
A
S
E
−
H
E
A
T
S
I
N
K
+
θ
J
C
)
P_D = [V_{IN(max)}-V_{OUT}] \times I_{OUT} + I_Q \times V_{IN(max)} \\ T_J = T_A+P_D \times \theta_{JA} = T_A+P_D \times (\theta_{HEATSINK} + \theta_{CASE-HEATSINK} + \theta_{JC})
PD=[VIN(max)−VOUT]×IOUT+IQ×VIN(max)TJ=TA+PD×θJA=TA+PD×(θHEATSINK+θCASE−HEATSINK+θJC)
T
A
T_A
TA：环境温度
T
J
M
A
X
T_{JMAX}
TJMAX：芯片内核正常工作的最高温度
θ
J
A
\theta_{JA}
θJA：芯片内核到芯片外部环境的热阻
θ
H
E
A
T
S
I
N
K
\theta_{HEATSINK}
θHEATSINK：散热器到空间的热阻
θ
C
A
S
E
−
H
E
A
T
S
I
N
K
\theta_{CASE-HEATSINK}
θCASE−HEATSINK：芯片壳体到散热器的热阻
θ
J
C
\theta_{JC}
θJC：芯片内核到外壳的热阻
-
纹波与噪声
LDO需要关注输入到输出的纹波抑制比(PSRR)。PSRR是衡量电路对于输入电源中纹波抑制大小的重要参数，表示为输出纹波和输入纹波的对比数，单位为分贝(dB)，计算公式为：
P S R R = 20 l g R i p p l e i n p u t R i p p l e o u t p u t PSRR = 20lg \dfrac{Ripple_{input}}{Ripple_{output}} PSRR=20lgRippleoutputRippleinput
R i p p l e i n p u t Ripple_{input} Rippleinput：输入端电源纹波的峰峰值；
R i p p l e o u t p u t Ripple_{output} Rippleoutput：输出端电源纹波的峰峰值。 -
瞬态响应（transient load response）
输出电流突变的时候，输出电压的波动范围。瞬态响应和负载电流突变幅度有关；瞬态响应和负载电流的突变斜率有关；瞬态响应差，可能会导致系统偶发性复位。 -
输出电容
1、较大的输出电容ESR会产生较大的损耗功率，同时也会影响电源的滤波效果；
2、过小的ESR会不满足LDO的高频补偿，会导致LDO振荡（LDO负载发生瞬态变化时，利用ESR能立即产生电压波动，从而引起LDO反馈电路动作）。 -
静态电流
在做低功耗、长待机应用时，需要重点考虑。 -
输入电源与输出电源的延时
在电源上电时序控制时考虑。
3.3 主要器件选型
滤波电容
在LDO电源电路中，电容主要起到作为电荷的缓冲池和泄放高频噪声两个作用。可以通过钽电容加陶瓷电容组合，既能提供高频噪声的低阻抗泄放通路，也能在负载变化时提供一定缓冲，还能提供一定ESR满足LDO反馈要求。
注意： 在LDO设计选择电容时，需要注意LDO芯片是否对输出滤波电容的ESR有要求。在某些电源芯片手册(RT9193)中，会要求输出滤波电容ESR高于一定值( 1 m Ω 1m\Omega 1mΩ)，用作LDO的环路补偿。（原理：LDO输出电容的容值和ESR能给内部环路提供一个零点，用于增加相位裕度。但零点位置不能太靠前，否则引入的一对零极点位置太靠前导致带宽增加、相位裕度下降，会使环路不稳定。现在的LDO大多内置了补偿，因此需要使用低ESR的输出电容。）
分压电阻
LDO的反馈通路有一定偏置电流要求，这要求分压电阻阻值不能太大；分压电阻过小，电阻功耗会比较大。建议依据手册要求选择电阻阻值，同时选用高精度电阻。
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