Roland van Roy | AN079 from RICHTEK

輸出電壓紋波是開關電源轉換器的一個重要參數。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，需滿足嚴格的容受范圍。準確測量紋波不容易，特別是對于高頻開關式電源轉換器。

本文將解釋DC-DC轉換器的輸出紋波，并提供有用的設計技巧，以獲得更準確的測量結果。

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實例1：RT6252A ACOT®降壓轉換器，應用于12V到5V、2A的小型應用

RT6252A是一款成本效益高、額定電壓為17V的第三代ACOT®降壓轉換器，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）與輸出電容器連接，形成大的接地回路。 CH2探頭（青色環）用于使用電容式取樣方法來測量開關波形。

有關DC-DC轉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（靠近內部磁心）連接到開關節點。在Buck轉換器中，外部繞線將連接到輸出電容節點（它在高頻時具有低阻抗），因此外部繞線充當了開關信號的屏蔽層。這有助于改善EMI。當將繞線端連接到開關節點時，外部繞線區域將散發更多的高頻電場。

在改變電感器方向同時，漂移磁場也將反轉，這都可能會影響紋波測量。

圖16

圖17 第一種量測結果

從測量中可以看出，此設置中的CH1探頭接收了相當多的電感漂移場向，導致紋波電壓中出現大的電壓方波。而反轉電感方向時，紋波電壓的形狀仍存在很大的差異。因此，紋波測量都不準確。

7.2 第二個帶有較小接地回圈的測量設置（圖18）

在這里，我們使用CH1探頭（黃色環），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）用于使用電容式取樣方法測量開關波形。

圖18

圖19  第二種量測結果

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置（圖20）

在這里，我們將一根扭轉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）連接到扭曲電線的另一端，帶有短地回圈，遠離電感和開關的軌跡。CH2探頭（青色環）用于使用電容式取樣方法以測量開關波形。

圖20

圖21 第三種量測結果

扭轉電線方法呈現出非常清晰的輸出紋波測量，而且反轉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®轉換器存在一些頻率抖動（OFF時間變化），這導致測量紋波振幅中的一些不規則性。

7.4 高頻寬設置 (500MHz) 的測量：檢查CH2探頭開關信號測量的影響

圖22顯示了在測量開關信號時，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整。

在高頻寬設置中進行測量的最佳方法，就是盡可能減少連接設備到DUT，只連接（電阻）負載和只連接CH1探頭即可（見圖23左側）。然而，如果需要查看開關波形（例如用于示波器觸發），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果。最有可能的是，模擬中顯示的非常快速 (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。我們使用扭轉電線方法進行紋波測量，使用電容式取樣方法進行開關波形測量，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，與計算結果相當吻合。

未完待續...

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