電源管理IC的特性測(cè)試及方法

容性負(fù)載不容易高速驅(qū)動(dòng)，根本原因在于電壓變化產(chǎn)生的電流充電速度僅受等效串聯(lián)電阻（ESR）的限制，而等效串聯(lián)電阻在現(xiàn)代多層電容器本身往往是非常小的。另一個(gè)原因在于，如果我們將電容器連接到反饋控制系統(tǒng)，那么電容器引入的極點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致相位損失。這個(gè)極點(diǎn)迫使我們把帶寬限制在遠(yuǎn)低于我們期望的水平，以免影響穩(wěn)定性。因此，如果我們希望在容性負(fù)載上產(chǎn)生清晰而又受控的上下沿，則需要帶寬很寬、電流很大的“緩沖器”，而且它既不能振蕩，也不能體積太大而占據(jù)您工作臺(tái)的一半空間。

下面介紹的方法采用極少的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)小尺寸，并將功能損失控制到最低，而且在需要時(shí)可以很容易地添加回來(lái)。這里描述的電路，被稱(chēng)為L(zhǎng)ineEdge2，可以在連接到高負(fù)載的直流和容性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生高速的上下沿。該電路在Dialog半導(dǎo)體公司內(nèi)廣泛用于線路瞬態(tài)響應(yīng)、PSRR和其他性能測(cè)量，來(lái)幫助電源管理IC的特性測(cè)試。

現(xiàn)代電源管理IC包含線性和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，與數(shù)字內(nèi)核集成在一起。數(shù)字內(nèi)核可以是硬編碼的大型狀態(tài)機(jī)，或者是軟件驅(qū)動(dòng)的微型CPU。所有的轉(zhuǎn)換器都要滿足最大電壓變化范圍的指標(biāo)，以保證在負(fù)載或線路瞬態(tài)變化時(shí)正常工作。測(cè)量此參數(shù)的典型方法需要一個(gè)功率放大器提供階躍變化給轉(zhuǎn)換器的輸入端，同時(shí)在轉(zhuǎn)換器輸出端接一個(gè)電子負(fù)載來(lái)提供指定的負(fù)載，和一個(gè)示波器（以測(cè)量輸入條件和輸出偏差）。完整的設(shè)置如圖1所示。

圖1. 線路瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量設(shè)置

許多新手工程師采用的一種簡(jiǎn)單方法，是使用一根同軸電纜將功率放大器連接到目標(biāo)主板的輸入電容上。功率放大器往往無(wú)法承受這樣的電容負(fù)載，在大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換器的輸入端會(huì)變成振蕩器，甚至?xí)?dǎo)致?lián)p壞輸入電容器或轉(zhuǎn)換器本身。因此通常采用的解決方案是將同軸電纜改為短接線和串聯(lián)電阻，將放大器與電容性負(fù)載隔離。這可以使其穩(wěn)定，但隔離電阻會(huì)影響振幅的準(zhǔn)確性。而且由于與穩(wěn)壓器的輸入電容一同使用會(huì)產(chǎn)生低通濾波器，從而降低帶寬。

有人可能會(huì)問(wèn)：為什么不能完全去除電容器，只使用功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)被測(cè)器件（DUT）？這種方法造成開(kāi)關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定。另外，如果數(shù)字內(nèi)核也是從同一個(gè)電源供電，那么可能會(huì)導(dǎo)致頻繁的數(shù)字內(nèi)核復(fù)位，也產(chǎn)生不穩(wěn)定性。有一種妥協(xié)的辦法是將輸入電容的值降到足夠低的程度，讓我們既能夠驅(qū)動(dòng)它，又保持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。然而，這種解決方案需要額外的實(shí)驗(yàn)，并導(dǎo)致測(cè)試的系統(tǒng)具有與最初設(shè)計(jì)不同的硬件配置，從應(yīng)用或設(shè)計(jì)角度來(lái)看這是不可取的。

如果我想要設(shè)計(jì)一款能夠驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載的電路，該怎么開(kāi)始？這需要高帶寬放大器加補(bǔ)償方案來(lái)解決負(fù)載電容引起的相位損失問(wèn)題。在利用飛線（fly wire）和原型PCB進(jìn)行了幾次實(shí)驗(yàn)后，LineEdge誕生了，經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn)，又產(chǎn)生了LineEdge2。

圖2. LineEdge2原理圖

從原理圖中可以看出，LineEdge2由電流反饋放大器（CFA）U1（LT1210）、基本的偏置網(wǎng)絡(luò)、和BJT輸出級(jí)（Q1和Q2）組成。LT1210是一個(gè)有趣的放大器；它具有高電流輸出（> 1A）和高帶寬（35 MHz），其默認(rèn)設(shè)計(jì)就是驅(qū)動(dòng) “高”電容性負(fù)載（最高達(dá)10nF）。為了有效地利用該放大器的高電流，其輸出直接連接到NPN雙極晶體管Q1的基極。由于LineEdge2始終以正輸出電壓運(yùn)行，因此這種安排是合理的。輸出級(jí)采用互補(bǔ)的高開(kāi)關(guān)速度功率晶體管，其hFE約為50，可提供充足的電流放大。由于大部分電流實(shí)際上流經(jīng)該元件，該NPN晶體管附加了額外的冷卻措施。PNP通過(guò)兩個(gè)二極管壓降偏置，以約10 mA的集電極電流實(shí)現(xiàn)晶體管傳輸，使輸出工作在AB類(lèi)。該偏置確實(shí)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谳p輸出負(fù)載的情況下只需要該P(yáng)NP稍微打開(kāi)。

負(fù)載較高時(shí)，輸出級(jí)進(jìn)入A類(lèi)，PNP幾乎不會(huì)打開(kāi)。為了改善需要快速上下沿時(shí)的PNP驅(qū)動(dòng)，將一個(gè)自舉電容器與偏置二極管并聯(lián)。這可以在瞬態(tài)響應(yīng)的下降沿短暫地提供能量到基極。如果該器件在低功耗場(chǎng)景中使用，則由一個(gè)短路鏈路反轉(zhuǎn)為B類(lèi)輸出。輸出采用AB類(lèi)的主要原因是為了避免交叉失真，不然會(huì)產(chǎn)生額外的高頻噪聲。兩個(gè)晶體管的集電極被重度去耦，以便在需要時(shí)提供本地電源。

請(qǐng)注意，原理圖中沒(méi)有發(fā)射極電阻。發(fā)射極電阻有助于減輕PNP的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)增加放大器驅(qū)動(dòng)器擺幅要求，并由于額外的壓降而增加電源電壓要求。所以為了保證輸出級(jí)不出現(xiàn)熱失控，電路里設(shè)定了適當(dāng)?shù)钠秒娮柚?，并且保證二極管與PNP熱耦合。與SD（關(guān)閉）引腳串聯(lián)的100kΩ電阻用來(lái)降低功耗，但是CFA的總帶寬也略有降低。電容性負(fù)載的補(bǔ)償非常簡(jiǎn)單。CC與RC并聯(lián)來(lái)設(shè)定CFA的帶寬。R5是一個(gè)環(huán)路測(cè)試用的注入電阻器（injection resistor），它與J9一起方便穩(wěn)定性測(cè)量。輸入信號(hào)直接連接到正向的高阻抗輸入端，可選50Ω端接阻抗。C5連接到CFA的補(bǔ)償引腳，由于在這個(gè)應(yīng)用里它對(duì)提升性能沒(méi)有幫助，因此沒(méi)有接入這個(gè)元件。

穩(wěn)定性

由LineEdge2驅(qū)動(dòng)的典型電容性負(fù)載范圍為10μF至100μF。根據(jù)電容的類(lèi)型和容量的差異，可能需要微調(diào)相位裕度。圖3顯示了兩種極端的電容性負(fù)載情況。容性負(fù)載引起的增益損失是顯而易見(jiàn)的，并且看起來(lái)電容的阻抗特性會(huì)切入一部分預(yù)期的一階增益下降（first order gain roll off）。較高的電容值具有較低的諧振頻率，迫使第一次交叉更早出現(xiàn)。而容值較低的電容具有較高的品質(zhì)因數(shù)，在較高的頻率上交叉之后會(huì)出現(xiàn)更陡的低谷。相位在諧振頻率上開(kāi)始恢復(fù)，并快速跳轉(zhuǎn)到放大器中設(shè)計(jì)的高值。很明顯，我們有兩個(gè)交叉點(diǎn)和兩個(gè)相位裕度。在這種情況下，需要考慮所有交叉點(diǎn)，穩(wěn)定性將受制于“最薄弱環(huán)節(jié)”或最小的相位裕度。在本例中，最薄弱的環(huán)節(jié)將始終是由負(fù)載電容器決定的第一個(gè)交叉點(diǎn)。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，我們有兩個(gè)選擇：要么以某種方式提高增益，以避免第一個(gè)交叉點(diǎn)，要么提前提升相位（以較低頻率），確保在第一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)仍然有一些相位。為了增加增益，只要降低RC值，或者為了提升相位，只需增加CC。圖3顯示了固定值RC = 560Ω和兩個(gè)CC值的兩種情況。很明顯，820pF的情況在兩種電容性負(fù)載情況下都能提供更好的相位裕度。

值得一提的是該負(fù)載所帶來(lái)的有趣而且顯著的相位裕度調(diào)制。圖4描繪了低容性負(fù)載下不同負(fù)載點(diǎn)的情況。當(dāng)增益增加時(shí)，相位變化非常小。增益增加導(dǎo)致更高的交叉頻率，并且由于相位在交叉之后迅速上升，相位裕度也相應(yīng)上升。顯然隨著負(fù)載的增加，相位也在提升，同時(shí)增益和帶寬也增加了。結(jié)果是，隨著負(fù)載的增加，獲得了更快的速度和更高的穩(wěn)定性。如圖所示，當(dāng)負(fù)載相差400mA時(shí)，相位裕度變化達(dá)10°。

圖3. 具有10μF和100μF電容性負(fù)載的相位裕度圖

圖4. 不同負(fù)載點(diǎn)下的相位裕度圖

自動(dòng)化

LineEdge2是一個(gè)簡(jiǎn)單的器件，它不包含任何額外的保護(hù)或限流電路。它可以獨(dú)立使用，也可以作為具有許多獨(dú)立電源輸出的更大自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分使用。

由于線路瞬態(tài)響應(yīng)是在滿載時(shí)測(cè)量的，因此散熱可能會(huì)是一個(gè)問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，負(fù)載瞬態(tài)脈沖與輸入脈沖同步施加，并確保輸出電壓具有適當(dāng)?shù)那爸煤秃笾梅€(wěn)定時(shí)間。這樣一來(lái)，轉(zhuǎn)換器的負(fù)載就不是恒定的，而是脈沖的，具有很小的占空比，這減少了LineEdge和DUT的損耗。圖5顯示了脈沖排列。藍(lán)色曲線是使用LineEdge2驅(qū)動(dòng)的輸入瞬態(tài)，而黃色曲線是負(fù)載瞬態(tài)脈沖。輸入瞬態(tài)脈沖處于負(fù)載瞬態(tài)脈沖的中間，具有足夠的時(shí)間余量來(lái)穩(wěn)定輸出電壓 – 即紅色曲線。顯然，為了實(shí)現(xiàn)這種脈沖排列，標(biāo)準(zhǔn)工作臺(tái)用的函數(shù)發(fā)生器可能是不夠的，因?yàn)閮蓚€(gè)脈沖的相位同步必須被控制，而且脈沖寬度和斜率也必須被控制。該圖片還顯示了LineEdge卓越的脈沖保真度，幾乎沒(méi)有交叉失真、過(guò)沖或下沖，而且該脈沖真實(shí)展現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器的波形。通過(guò)減少脈沖排列的重復(fù)頻率，可以降低總功率損耗，因此不再需要散熱器，從而使解決方案保持小巧且易于集成。從圖5可以看出，穩(wěn)壓器的線路瞬態(tài)響應(yīng)非常?。ㄅc線路瞬態(tài)脈沖同步的紅色波形）— 約為1 mV，所以，應(yīng)特別保護(hù)測(cè)量信號(hào)免受其他噪聲源的干擾。

圖5. 線路瞬態(tài)響應(yīng)自動(dòng)化

硬件

所實(shí)現(xiàn)的LineEdge2是一個(gè)小型模塊，可以直接插入到目標(biāo)評(píng)估板中。如圖6所示，它使用高速大電流Samtec HSEC8連接器連接到目標(biāo)系統(tǒng)，該連接器可以在輸入電容附近進(jìn)行匹配，以允許LineEdge2板從頂部插入。非常重要的是該板需要連接到盡可能靠近輸入電容的位置。原因有幾個(gè)，首先，對(duì)于大電流靜態(tài)負(fù)載，連接電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，由于主放大器的反饋接在板端，輸入端可能會(huì)看到一些壓降。其次，連接中的阻抗會(huì)限制對(duì)電容器進(jìn)行充電的速度和能力，導(dǎo)致較差的信號(hào)保真度。因此，通常我們?cè)谥谱髦靼鍟r(shí)把連接器放在需要的位置上。

圖6. 使用改裝的HSEC8連接器完成設(shè)置

結(jié)論

作為Dialog公司的應(yīng)用工程師，我們經(jīng)常需要在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的測(cè)量并提供結(jié)果。擁有正確的工具，了解并知道如何使用它，就會(huì)帶來(lái)不可或缺的優(yōu)勢(shì)，大大降低任務(wù)的復(fù)雜性。LineEdge2正是這樣的一種工具，它在Dialog公司內(nèi)部廣泛使用，以協(xié)助測(cè)量和表征復(fù)雜的PMIC。