DC-DC變流器的調(diào)試有哪些需要注意的？

DC/DC 變流器IC可能在整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的并不起眼，但它們對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠工作至關(guān)重要。盡管TI 提供詳細(xì)的規(guī)格書和應(yīng)用文檔幫助客戶在系統(tǒng)上正確地實(shí)現(xiàn)變流器IC的功能，在實(shí)際應(yīng)用中依然因?yàn)榉N種原因?qū)е翴C不正常工作問題，例如啟動(dòng)異常，輸出電壓不穩(wěn)定，紋波過大甚至IC損壞等等。大部分時(shí)候，引起IC異常工作的原因并不復(fù)雜，簡(jiǎn)單的調(diào)試可以快速地定位并解決問題。這篇文章介紹幾點(diǎn)針對(duì)升壓變流器的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。

第一點(diǎn)：能否在多塊板子上重復(fù)相同現(xiàn)象

當(dāng)在一片系統(tǒng)板子上發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候，首先要做的是嘗試在另外一片或多片板子上重復(fù)現(xiàn)象。如果現(xiàn)象無法重復(fù)，那么問題可能是由于焊接不良或者IC損壞導(dǎo)致的。

焊接不良可能出現(xiàn)在DC/DC 變流器IC及其外圍器件上，分為兩種情況：相鄰pin腳短接和pin腳虛焊。短接問題可通過觀察pin腳焊接情況并且測(cè)試相鄰pin阻抗的確定。IC的pin腳虛焊可利用IC內(nèi)部的二極管排查。

如圖1所示，因?yàn)殡娐沸枰?，IC內(nèi)部在GND pin腳與其他pin腳之間有一個(gè)二極管。使用萬用表測(cè)試二極管的檔位測(cè)試這些二極管壓降，可以間接排查IC的虛焊問題。二極管壓降一般在0.5V~0.7V之間。

圖 1: VIN pin 和 GND pin之間的二極管

變流器IC的損壞主要由ESD 過壓，PCB布板不好或者外接過壓電源引起的。測(cè)量不同pin腳和GND pin之間的阻抗，并且與正常IC相比較可判斷出IC是否損壞，以及損壞的位置。

第二點(diǎn)：是否選擇正確的器件

電感和輸出電容是關(guān)鍵的外圍器件。建議選擇規(guī)格書推薦的電感值和電容值。規(guī)格書在“Recommended Operating Conditions,” “Inductor Selection” and “Capacitor Selection” 這些章節(jié)提供電感和電容的參考值. 如圖 2所示，升壓變流器IC ?TPS61253 規(guī)格書建議有效電容值 在3.5μF to 50μF之間，電感值在0.7μH to 2.9μH之間.

圖 2: TPS61253 建議工作條件

須注意陶瓷電容的有效電容值與其偏置直流電壓相關(guān)，小于標(biāo)稱電容值。以村田0603封裝10 μF電容GRM188R60J106ME47為例，在5V偏置電壓下電容有效值僅為3μF。過小的輸出電容值導(dǎo)致輸出紋波過大甚至輸出電壓不穩(wěn)定。選擇飽和電流足夠大的電感，否則在重載條件下電感可能飽和，電感量降低至推薦范圍之外，引起IC異常工作。

第三點(diǎn)：PCB布板是否合理

不合理的PCB布板會(huì)導(dǎo)致很多問題：電壓紋波過大，輸出電流能力受限甚至IC損壞。輸出陶瓷電容是升壓變流器PCB布板中最重要的器件，絕大部分布板問題是由輸出陶瓷電容位置和走線不合理導(dǎo)致的。參考應(yīng)用文檔“Five Steps to a Good PCB Layout of a Boost Converter” 以及對(duì)應(yīng)IC的規(guī)格書PCB建議章節(jié)的排查PCB問題。如果懷疑問題由某個(gè)器件的不合理位置導(dǎo)致的，可以在現(xiàn)有系統(tǒng)板上調(diào)整并實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)問題，以便于后續(xù)的PCB布板修改。

第四點(diǎn)：測(cè)試工作電壓波形

變流器的工作波形對(duì)找到問題的原因非常有用。在升壓變流器中，VIN pin、SW pin、VOUT pin 和電感電流ICOIL波形最為重要。圖 3 示意電感電流的測(cè)量方法：在電感中串聯(lián)一根電線，并用電流探頭測(cè)量流過電線的電流波形。

圖 3: 測(cè)量電感電流的方法

如果條件允許，最好同時(shí)測(cè)量這四個(gè)點(diǎn)的波形。圖 4 示意IC TPS61258的輕載和重載條件下正確工作波形，圖中通道1、通道2、通道3 和通道4 分別代表輸出VOUT, SW, VIN and ICOIL (電感電流)。 其中 通道1為直流耦合，偏置電壓設(shè)置等于輸出電壓5V，這樣可以同時(shí)獲知直流電壓值和電壓紋波的信息。

在輕載條件，TPS61258工作在輕載高效模式：IC工作一段時(shí)間，然后待機(jī)一段時(shí)間。在重載條件下，TPS61258工作在定頻模式，開關(guān)頻率約為3.5MHz，減小輸出電壓紋波。

在重載條件下，SW電壓等于0V或者輸出電壓值。當(dāng)SW電壓等于零的時(shí)候，電感電流線性上升；SW電壓等于輸出電壓時(shí)，電感電流線性下降。

(a)??? 輕載條件 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (b)重載條件

圖 4: TPS61258工作波形 (通道1 VOUT, 通道SW, 通道VIN, 通道ICOIL)

規(guī)格書一般會(huì)提供IC的正常工作波形，如果實(shí)測(cè)波形與之不一致，則可能判斷出問題的原因，比如電感電流過高導(dǎo)致限流，輸出電壓不穩(wěn)定，輸入電壓超過規(guī)定范圍等等。

最后：記錄調(diào)試數(shù)據(jù)和波形

對(duì)于一些和系統(tǒng)相關(guān)或與IC內(nèi)部控制原理相關(guān)的復(fù)雜問題，以上四點(diǎn)方法可能不足以找到原因，需要聯(lián)系TI的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師或者在TI E2E? 論壇上提問。最好的方法是記錄以上調(diào)試的數(shù)據(jù)和波形，并且附上電源IC的原理圖和PCB一起提供，這些資料幫助TI的工程師有效、快速定位問題，解決問題。