BUCK電源電路設(shè)計(jì)測(cè)試過(guò)程分享

1芯片選型

如下圖1所示為本模塊的電路原理圖，具體可以簡(jiǎn)化為輸入部分、控制部分、輸出部分以及反饋部分。輸入部分：電容C1、C2、C3以及R1；控制部分:MP4420H芯片以及自舉電路C5、R5；輸出部分：電感L1、電容C6、C7以及C8。反饋部分：電阻R3、R4以及R2。

圖1 電源模塊原理圖

本模塊需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)DC-DC的電源轉(zhuǎn)換功能，其輸入為12V，輸出為3.3V/2A。選擇MP4420H這款芯片，MP4420H的輸入范圍為4V-36V之間，輸出電壓范圍為0.8V-32.4V，最大輸出電流2A。MP4420H的特點(diǎn)有：內(nèi)置兩只開(kāi)關(guān)管且采用同步BUCK的技術(shù)、開(kāi)關(guān)頻率為450KHZ、內(nèi)部實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、占空比最大可達(dá)到95%以及熱關(guān)斷等。

如圖2所示為其引腳圖。

圖2 MPH4420H引腳圖

PG：該引腳的輸出為開(kāi)漏，輸出電壓為高電平超過(guò)標(biāo)稱電壓的90％

IN：電源輸入端，一般接幾個(gè)電容用來(lái)儲(chǔ)能和去耦

SW: 開(kāi)關(guān)輸出引腳

GND: 接地端

BST: 自舉引腳端，需要在SW和BST引腳之間連接一個(gè)電容以形成浮動(dòng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)MP4420H內(nèi)上端的開(kāi)關(guān)管。自舉電容建議串聯(lián)一個(gè)20歐姆電阻以降低SW尖峰電壓。

EN/SYNC：使能/同步引腳端

VCC: 偏置電壓，一般會(huì)加一個(gè)0.1Uf ~0.22uF的去耦電容，不要超過(guò)0.22uF

FB：反饋端

2電容選型

2.1輸入電容選型：

輸入電容的主要目的為儲(chǔ)能和濾波，以防止輸出需要大電流的時(shí)候，外部供電模塊來(lái)不及供電，從而導(dǎo)致輸出電壓跌落的現(xiàn)象。在選擇輸入電容的時(shí)候首先要保證電容的耐壓值為供電模塊電壓的1.5倍，

根據(jù)MP4420H的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知輸入電容的計(jì)算公式1：

公式1：

為輸出電流2A，fs為開(kāi)關(guān)頻率450KHZ，Cin為輸入電容，Vout為輸出電壓3.3V，Vin為輸入電壓12V。本模塊選用MP4420H數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的22uF的貼片陶瓷電容，可計(jì)算出為44mV。選擇兩個(gè)風(fēng)華牌10uF/25V的C1和C2貼片陶瓷電容并聯(lián)，再并聯(lián)一個(gè)電容C3大小為10nF/25V的小電容以濾除輸入直流電壓中夾雜的高頻信號(hào)。

2.2輸出電容選型：

輸出濾波電容值可通過(guò)計(jì)算得到，但是一般在選擇電容值的時(shí)候通常會(huì)選擇1.2-2倍計(jì)算出的電容值或者更大的電容量，在PCB面積允許的條件下最好多個(gè)電容并聯(lián)。由于輸出濾波電容和輸出電感會(huì)形成兩個(gè)極點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致電路輸出不正常，具體表現(xiàn)為輸出紋波較大、輸出上升沿有強(qiáng)烈的振蕩等。所以在選擇電容值的時(shí)候也要適當(dāng)考慮電感值。由MP4420H數(shù)據(jù)手冊(cè)可知輸出電容和以下公式相關(guān)：

L1為輸出濾波電感，ESR為輸出電容的內(nèi)阻。故根據(jù)輸出紋波的要求可大致得到輸出電容的大小，在選擇電容的時(shí)候一般都會(huì)選擇電容值更大點(diǎn)的電容。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源模塊，電源自身會(huì)產(chǎn)生和開(kāi)關(guān)頻率一致的電源紋波，始終疊加在電源上輸出。輸出紋波也會(huì)由輸出電容的內(nèi)阻所引起，不斷的給輸出電容充放電，充電電流在輸出電容的內(nèi)阻ESR兩端就會(huì)有壓降，這個(gè)就會(huì)產(chǎn)生輸出紋波，所以在選擇輸出電容的時(shí)候盡量選擇ESR較小的貼片陶瓷電容而不是電解電容，選擇幾個(gè)電容并聯(lián)也是為了降低輸出內(nèi)阻，一般都會(huì)在輸出端并聯(lián)一個(gè)較小的電容一般為nF級(jí)別的電容以濾去高頻紋波。本模塊選擇兩個(gè)100uF/16V和一個(gè)100nF/16V的貼片陶瓷電容并聯(lián)。

3電感選型

輸出電感的主要作用是用來(lái)穩(wěn)定輸出電流以及儲(chǔ)能，輸出電感和輸出電容組成的LC濾波電路主要用來(lái)平滑輸出電壓，使輸出電壓是一個(gè)穩(wěn)定的直流。在選擇輸出電感的時(shí)候，除了要考慮電感值的大小外更要考慮電感所能抑制的電流值。對(duì)于BUCK開(kāi)關(guān)變換器的輸出電感的電流額定值最少是1.2倍的輸出電流。根據(jù)MP4420H的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，輸出電感的電感值在1uH~10uF，電感電流額定值最少為超過(guò)負(fù)載電流的25%。對(duì)于大多數(shù)的設(shè)計(jì)，電感值可由以下公式得到：

為電感的斜坡電流，其大小一般為電感電流最大值的30%。

根據(jù)計(jì)算得到輸出電感值為8uH，實(shí)際選擇10uH/5A的貼片電感。

4電阻選型

使能電阻R1的選擇，EN/SYNC引腳用來(lái)控制芯片是否工作，當(dāng)其為高電平時(shí)，芯片就使能工作；當(dāng)其為低電平時(shí)，芯片就不工作。EN/SYNC引腳有一個(gè)6.5V的穩(wěn)壓管，連接一個(gè)使能電阻到輸入端可以使電路使能，流入使能電阻的電流少于150uA，故本模塊的使能電阻

，選擇R1=100KW。

反饋部分電阻的選擇，MP4420H通過(guò)外接反饋電阻形成一個(gè)閉環(huán)的電路，從而使輸出穩(wěn)定在3.3V。通過(guò)R3和R4的分壓得到反饋電壓，反饋電壓和MP4420H內(nèi)部的比較器做比較，當(dāng)反饋電壓大于內(nèi)部比較器的參考電壓0.8V時(shí)，MP4420H內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，切斷輸入向輸出傳遞能量。數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦R3的大小在40KW左右，本模塊選擇41.3KW。故可得到R4：

由Vout=3.3V，可得到R4=13KW

R3和R2用來(lái)設(shè)置環(huán)路帶寬，R3和R2越大，帶寬越小，環(huán)路帶寬一般要小于開(kāi)關(guān)頻率fs的1/10，以使輸出穩(wěn)定。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的R2為51KW。

二、電源測(cè)試

1電源PDN和紋波噪聲

1.1電源PDN

電源紋波噪聲測(cè)試是一個(gè)比較復(fù)雜的測(cè)試難題，不同方法測(cè)量到的結(jié)果不同，即使同一種測(cè)試方法不同人測(cè)試結(jié)果一般也會(huì)存在差別。

對(duì)于終端類產(chǎn)品，不管是CPU、GPU、DDR等，其芯片內(nèi)部都有成千上萬(wàn)的晶體管，芯片內(nèi)不同的電路需要不同的電源供電，常見(jiàn)有Vcore、Vcpu、Vmem、VIO、Vgpu、Vpll等，這些電源有DC-DC電源模塊供電，也有LDO電源模塊供電，都統(tǒng)一由PMU來(lái)管理。

如圖3所示，為芯片的PDN圖，芯片的供電環(huán)路從穩(wěn)壓模塊VRM開(kāi)始，到PCB的電源網(wǎng)絡(luò)，芯片的ball引腳，芯片封裝的電源網(wǎng)絡(luò)，最后到達(dá)die. 當(dāng)芯片工作在不同負(fù)載時(shí)，VRM無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)電流快速變化的需求，在芯片電源電壓上產(chǎn)生跌落，從而產(chǎn)生了電源噪聲。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源模塊的VRM，電源自身會(huì)產(chǎn)生和開(kāi)關(guān)頻率一致的電源紋波，始終疊加在電源上輸出。對(duì)于電源噪聲，需要在封裝、PCB上使用去耦電容，設(shè)計(jì)合理的電源地平面，最終濾去電源噪聲。對(duì)于電源紋波，需要增大BULK電感或者BULK電容。

圖3芯片電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）示意圖

對(duì)于板級(jí)PCB設(shè)計(jì)，當(dāng)頻率達(dá)到一定頻率后，由于走線的ESL、電容的ESL的影響，已經(jīng)無(wú)法濾去高頻噪聲，業(yè)界認(rèn)為PCB只能處理100MHz以內(nèi)的噪聲，更高頻率的噪聲需要封裝或者die來(lái)解決。因此對(duì)于板級(jí)電源噪聲測(cè)試，使用帶寬500M以上的示波器就足夠了。一般情況下，示波器的帶寬越大，低噪也會(huì)隨之上升，因此建議測(cè)試電源時(shí)示波器的帶寬限制為1GHz。

1.2電源紋波和電源噪聲

電源紋波和電源噪聲是一個(gè)比較容易混淆的概念，如下圖4所示，藍(lán)色波形為電源紋波，紅色波形為電源噪聲。電源紋波的頻率為開(kāi)關(guān)頻率的基波和諧波，而噪聲的頻率成分高于紋波，是由板上芯片高速I/O的開(kāi)關(guān)切換產(chǎn)生的瞬態(tài)電流、供電網(wǎng)絡(luò)的寄生電感、電源平面和地平面之間的電磁輻射等諸多因素產(chǎn)生的。因此，在PMU側(cè)測(cè)量電源輸出為紋波，而在SINK端（耗電芯片端，如AP、EMMC、MODEM等）測(cè)量的是電源噪聲。

圖4電源紋波噪聲圖

電源紋波測(cè)量時(shí)，限制示波器帶寬為20MHz，測(cè)量PMU電源輸出的波形峰峰值即可電源紋波。由于PMU芯片在設(shè)計(jì)完成后，芯片廠商會(huì)做負(fù)載測(cè)試，測(cè)試PMU在不同負(fù)載時(shí)輸出電源的紋波情況，因此在終端類產(chǎn)品板上，沒(méi)必要在做這方面的測(cè)試，紋波大小參考PMU手冊(cè)即可。

電源噪聲測(cè)試時(shí)，測(cè)試點(diǎn)放在SINK端，由于SINK端工作速度大都在幾十MHz以上，因此示波器帶寬設(shè)置為全頻段（最高為示波器帶寬上限），測(cè)試點(diǎn)要盡量靠近測(cè)試芯片的電源引腳，如果存在多個(gè)電源引腳，應(yīng)該選擇距離PMU最遠(yuǎn)端的那個(gè)引腳。電源噪聲跟PCB布局布線，DECAP電容的位置的位置相關(guān)，同時(shí)電源噪聲影響CPU的工作狀態(tài)和單板的EMI，終端類產(chǎn)品板需要對(duì)每塊單板測(cè)試電源噪聲。

2常見(jiàn)的紋波噪聲測(cè)試方案

2.1紋波噪聲測(cè)試基本要求

目前芯片的工作頻率越來(lái)越高，工作電壓越來(lái)越低，工作電流越來(lái)越大，噪聲要求也更加苛刻，以MSM8974的CORE核為例，電壓為0.9V，電流為3A，要求25MHz時(shí)，交流PDN阻抗為22mohm，電源噪聲要求在±33mV以內(nèi)。對(duì)于DDR3芯片，要求VREF電源噪聲在±1%以內(nèi)，若1.5V供電，則噪聲峰峰值不大于30mV。

這類低噪聲的電源測(cè)試非常具有挑戰(zhàn)，影響其測(cè)量準(zhǔn)確性的主要有如下幾點(diǎn)：

（1）示波器通道的底噪；

（2）示波器的分辨率（示波器的ADC位數(shù)）；

（3）示波器垂直刻度最小值（量化誤差）；

（4）探頭帶寬；

（5）探頭GND和信號(hào)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的距離；

（6）示波器通道的設(shè)置；

在測(cè)試電源噪聲時(shí)，要求如下條件：

（1）需要在重負(fù)載情況下測(cè)試電源紋波；

（2）測(cè)試電源紋波時(shí)應(yīng)該將CPU、GPU、DDR頻率鎖定在最高頻；

（3）測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該在SINK端距離PMU最遠(yuǎn)的位置；

（4）測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該靠近芯片的BALL；

（5）帶寬設(shè)置為全頻段；

（6）示波器帶寬大于500MHz；

（7）噪聲波形占整個(gè)屏幕的2/3以上或者垂直刻度已經(jīng)為最小值；

（8）探頭地和信號(hào)之間的回路最短，電感最??；

（9）測(cè)試時(shí)間大于1min，采樣時(shí)間1ms以上，采樣率500Ms/s以上；

（10）紋波噪聲看Pk-Pk值，關(guān)注Max、Min值；

2.2高通濾波器特性分析

示波器有AC和DC兩種耦合方式，當(dāng)采用AC耦合時(shí)，其內(nèi)部等效電路如圖5所示，C為隔值電容，R為終端對(duì)地阻抗，Vi為輸入信號(hào)，Vo為測(cè)量信號(hào)，濾波器的截止頻率為若為信號(hào)頻率，則有：

當(dāng)，用分貝表示為：，則表示信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器可以無(wú)衰減傳遞；

當(dāng)時(shí)，，用分貝表示為：，則表示該頻段的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后，按照-20dB/十倍頻的斜率衰減；

當(dāng)則表示信號(hào)衰減約0.707倍。

當(dāng)時(shí)，Vo=0.99Vi，測(cè)試誤差為1%。

圖5 加隔值電容后高通濾波器等效電路

表1不同隔值電容對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)

2.3無(wú)源探頭DC耦合測(cè)試

使用無(wú)源探頭DC耦合測(cè)試，示波器內(nèi)部設(shè)置為DC耦合，耦合阻抗為1Mohm，此時(shí)無(wú)源探頭的地線接主板地，信號(hào)線接待測(cè)電源信號(hào)。這種測(cè)量方法可以測(cè)到除DC以外的電源噪聲紋波。

如圖6所示，當(dāng)采用普通的鱷魚夾探頭時(shí)，由于地和待測(cè)信號(hào)之間的環(huán)路太大，而探頭探測(cè)點(diǎn)靠近高速運(yùn)行的IC芯片，近場(chǎng)輻射較大，會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭回路中，使測(cè)試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為了改善這種情況，推薦用無(wú)源探頭測(cè)試紋波時(shí)，使用右圖中的探頭，將地信號(hào)纏繞在信號(hào)引腳上，相當(dāng)于在地和信號(hào)之間存在一個(gè)環(huán)路電感，對(duì)高頻信號(hào)相當(dāng)于高阻，有效抑制由于輻射產(chǎn)生的高頻噪聲。更多時(shí)候，建議測(cè)試者采用第三種測(cè)試方法，將一個(gè)漆包線繞在探頭上，然后將漆包線的焊接到主板地網(wǎng)絡(luò)上，移動(dòng)探頭去測(cè)試每一路電源紋波噪聲。同時(shí)無(wú)源探頭要求盡量采用1:1的探頭，杜絕使用1:10的探頭。

圖6無(wú)源探頭地線兩種處理方法

對(duì)于示波器，若垂直刻度為xV/div，示波器垂直方向?yàn)?0div，滿量程為10xV，示波器采樣AD為8位，則量化誤差為10x/256 V。例如一個(gè)1V電源，噪聲紋波為50mV，如果要顯示這個(gè)信號(hào)，需要設(shè)置垂直刻度為200mV/div，此時(shí)量化誤差為7.8mV，如果把直流1V通過(guò)offset去掉，只顯示紋波噪聲信號(hào)，垂直刻度設(shè)置為10mV即可，此時(shí)的量化誤差為0.4mV。

使用無(wú)源探頭DC耦合測(cè)試，示波器設(shè)置如下：

（1）1Mohm端接匹配；

（2）DC耦合；

（3）全帶寬；

（4）offset設(shè)置為電源電壓；

2.4無(wú)源探頭AC耦合測(cè)試

使用無(wú)源探頭DC耦合需要設(shè)置offset，對(duì)于電源電壓不穩(wěn)定的情況，offset設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致屏幕上顯示的信號(hào)超出量程，此時(shí)選擇AC耦合，使用內(nèi)置的擱置電路來(lái)濾去直流分量。對(duì)于大多數(shù)的示波器，會(huì)有如下參數(shù)，設(shè)置為AC耦合，此時(shí)測(cè)量的為10Hz以上的噪聲紋波。

圖7示波器兩種耦合方式頻點(diǎn)

使用無(wú)源探頭AC耦合測(cè)試，設(shè)置如下：

（1）1Mohm端接匹配；

（2）AC耦合；

（3）全帶寬；

（4）offset設(shè)置為0

2.5同軸線外部隔直電容DC50歐耦合測(cè)試

由于無(wú)源探頭的帶寬較低，而電源開(kāi)關(guān)噪聲一般都在百M(fèi)Hz以上，同時(shí)電源內(nèi)阻一般在幾百毫歐以內(nèi)，選擇高阻1Mohm的無(wú)源探頭對(duì)于高頻會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，因此可以選擇用同軸線來(lái)代替無(wú)源探頭，此時(shí)示波器端接阻抗設(shè)置為50歐，與同軸線阻抗相匹配，根據(jù)傳輸線理論，電源噪聲沒(méi)有反射，此時(shí)認(rèn)為測(cè)量結(jié)果最準(zhǔn)確。

利用同軸線的測(cè)量方法，最準(zhǔn)確的是采用DC50歐，但是大部分示波器在DC50歐時(shí)offset最大電壓為1V，無(wú)法滿足大部分電源的測(cè)量要求，而示波器內(nèi)部端接阻抗為50歐時(shí)，不支持AC耦合，因此需要外置一個(gè)AC電容，如圖8所示，當(dāng)串聯(lián)電容值為10uF時(shí)，根據(jù)表1可以看到，此時(shí)可以準(zhǔn)確測(cè)試到2KHz以上的紋波噪聲信號(hào)。

圖8 同軸線DC50測(cè)量圖

2.6同軸線AC1M歐耦合測(cè)試

由于從PMU出來(lái)的電源紋波噪聲大多集中在1MHz以內(nèi)，如果采用同軸線DC50外置隔直電容測(cè)量方法，低頻噪聲分量損失較為嚴(yán)重，因此改用圖9所示的測(cè)量方法，利用同軸線傳輸信號(hào)，示波器設(shè)置為AC1M，這樣雖然存在反射，但是反射信號(hào)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)CABLE線折返傳輸后，影響是有限的，示波器在R2上采集電壓值可以認(rèn)為仍然可以被參考。

圖9同軸線AC1M測(cè)量圖

為了避免反射，在同軸線接到示波器的接口處端接一個(gè)50ohm電阻，使示波器輸入阻抗和cable線特征阻抗匹配。

圖10同軸線AC1M測(cè)量改進(jìn)圖

2.7差分探頭外置電容DC耦合測(cè)試

由于示波器的探頭地和機(jī)殼地通過(guò)一個(gè)小電容接在一起，而示波器的機(jī)殼地又通過(guò)三角插頭和大地接在一起，在實(shí)驗(yàn)室里，幾乎所有的設(shè)備地都和大地接在一起，示波器內(nèi)部地線接法如圖11所示，因此上面介紹的兩種方法都無(wú)法解決地干擾問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要引入浮地示波器或者差分探頭。

圖11示波器內(nèi)部地線接法

如圖12所示，為差分接法，由于差分探頭為有源探頭，外置差動(dòng)放大器，可以將待測(cè)信號(hào)通過(guò)差分方式接入，使示波器的地和待測(cè)件地隔離開(kāi)，達(dá)到浮地效果。但是差分探頭在示波器內(nèi)部只能DC50歐耦合，而offset最大一般不超過(guò)1V，因此需要在差分探頭上串聯(lián)隔直電容。使用差分探頭測(cè)量時(shí)關(guān)鍵是探頭的CMRR要足夠大，這樣才能有效抑制共模噪聲。

圖12 差分探頭外置電容DC耦合接法示意圖

3.8差分探頭衰減DC耦合測(cè)試

當(dāng)采用差分探頭外置電容DC耦合時(shí)，同樣存在截止頻率的問(wèn)題，測(cè)量的結(jié)果會(huì)損失一些低頻分量，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將差分探頭衰減10倍，示波器會(huì)將采集到的電壓值乘10顯示出來(lái)，這個(gè)時(shí)候offset設(shè)置也會(huì)放大到10V，能夠滿足終端類產(chǎn)品的直流電壓偏置。

圖13差分探頭衰減DC耦合測(cè)試接法示意圖

3輸入電壓測(cè)試

本次測(cè)試使用的設(shè)備有：0~30V/0~2A可調(diào)數(shù)字電源、鼎陽(yáng)牌SDS1000X-C數(shù)字示波器以及萬(wàn)用表。

如圖14所示為可調(diào)的數(shù)字電源，圖15為SDS1000X-C數(shù)字示波器,圖16為MP4420H的電源模塊。

圖14 可調(diào)電源

圖15 SDS1000X-C數(shù)字示波器

圖16MP4420H電源模塊

如圖17所示為12V輸入電壓的測(cè)試波形，從示波器上可以看出，輸出電壓為12V直流電壓。

圖17 輸入電壓測(cè)試圖

圖18為輸入電壓的紋波測(cè)試圖，是通過(guò)把示波器的耦合方式選擇交流耦合測(cè)試出來(lái)的。從示波器上可以讀出，輸入電壓紋波的峰峰值為40mV。

圖18 輸入紋波測(cè)試圖

4輸出電壓測(cè)試

圖19所示為輸出電壓的測(cè)試圖，從示波器上可以看出，輸出電壓最大值是3.44V，輸出電壓上升沿平緩，沒(méi)有振鈴和電壓過(guò)沖等現(xiàn)象。

圖19 輸出電壓測(cè)試圖

如圖20所示為輸出電壓的紋波，從示波器中可以看出，紋波電壓最大值為42mV。圖21所示為把紋波時(shí)間軸縮小的測(cè)試圖，從示波器中可以看出，紋波的峰峰值為3.96mV。

圖20 輸出電壓紋波測(cè)試圖