1. 先把“帶載不穩(wěn)”拆開看是掉壓、振鈴還是打嗝有一回我調(diào)試一塊3A同步降壓板子空載輸出5.01V紋波只有20mV左右乍看一切正常。結(jié)果接上1A電子負(fù)載輸出直接掉到4.6V而且以大約8kHz的頻率來回?cái)[蕩。當(dāng)時(shí)第一反應(yīng)是芯片買到假貨換了一顆原裝料問題照舊。最后拿示波器一看才發(fā)現(xiàn)根本不是芯片的問題而是反饋補(bǔ)償和輸出電容的匹配出了岔子。這種經(jīng)歷在DCDC電路調(diào)試?yán)锾Ｒ娏?。所謂“帶載不穩(wěn)”其實(shí)是一個(gè)籠統(tǒng)的說法背后可能藏著完全不同的故障機(jī)制。如果你不先把現(xiàn)象分類直接去換電感、換電容、換芯片大概率是白忙一場(chǎng)。我個(gè)人的習(xí)慣是動(dòng)手之前先上示波器把“不穩(wěn)”拆成三類。1.1 三種典型的帶載不穩(wěn)表現(xiàn)第一類是掉壓型。負(fù)載增加后輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)更低的數(shù)值比如5V降到4.3V但不振蕩、不跳動(dòng)。這類問題多半是反饋分壓電阻取樣點(diǎn)離負(fù)載太遠(yuǎn)銅箔電阻壓降被算進(jìn)了誤差或者是輸入側(cè)供電能力不夠輸入電壓被拉垮占空比頂?shù)缴舷抟矝]法維持輸出。第二類是振鈴型也就是我開篇遇到的狀況。負(fù)載加上去之后輸出電壓出現(xiàn)周期性震蕩頻率從幾百赫茲到幾十千赫茲都有可能。這種通常和環(huán)路補(bǔ)償、電感飽和、輸出電容有效容值不足有關(guān)牽涉到的坑點(diǎn)最多也是本文要重點(diǎn)展開的部分。第三類是打嗝型。輸出像鋸齒波一樣爬升到一半又跌下去周期性重復(fù)或者干脆在某個(gè)負(fù)載點(diǎn)反復(fù)重啟。這多半是軟啟動(dòng)和過流保護(hù)在起作用不是真的“環(huán)不穩(wěn)定”而是保護(hù)機(jī)制被誤觸發(fā)了但外觀上非常容易被誤判成帶載能力差。拿示波器確認(rèn)這三類的區(qū)別一抓準(zhǔn)掉壓型只需要看靜態(tài)電平振鈴型看時(shí)域波形反復(fù)穿越目標(biāo)電壓打嗝型看SW引腳是否周期性停振。1.2 示波器探頭亂接測(cè)出來的都是“假故障”很多帶載不穩(wěn)看起來嚇人其實(shí)有一半是測(cè)量方法造成的假象。我見過最典型的錯(cuò)誤是測(cè)輸出電壓紋波時(shí)用了一根十幾厘米長的鱷魚夾地線示波器屏幕上直接出來一個(gè)幾百毫伏的高頻振鈴讓人誤以為DCDC在振蕩。實(shí)際上那只是探頭地線電感與示波器輸入電容構(gòu)成的LC諧振。測(cè)DCDC紋波有個(gè)基礎(chǔ)規(guī)矩地線要用探頭自帶的接地彈簧越短越好帶寬限制打開到20MHz不然開關(guān)節(jié)點(diǎn)的di/dt會(huì)通過探頭耦合一大堆寬帶噪聲進(jìn)去。如果條件允許最好用1:1探頭或同軸電纜直接測(cè)輸出電容兩端不要把示波器探頭的地夾子夾到某個(gè)“看似是地”的螺絲孔上。測(cè)SW節(jié)點(diǎn)波形時(shí)反而建議用10:1探頭因?yàn)镾W點(diǎn)擺幅往往達(dá)到輸入電壓且上升沿非常陡直接用手摸或接成低阻抗探頭容易損壞前端。測(cè)MOS管Vds、SW開關(guān)節(jié)點(diǎn)這類快速信號(hào)探頭電容補(bǔ)償要先校準(zhǔn)好否則上升沿失真誤判成“開關(guān)過沖嚴(yán)重”。1.3 示波器通道怎么分配才不白測(cè)一次完整的帶載不穩(wěn)排查示波器至少要有兩個(gè)通道一個(gè)看SW一個(gè)看Vout。有條件加電流探頭看電感電流最好沒有電流探頭也有替代辦法后面會(huì)講。我常用的通道分配方式是這樣的通道接在哪檔位設(shè)置目的CH1SW開關(guān)節(jié)點(diǎn)10:1探頭電壓檔按輸入電壓×2設(shè)定看開關(guān)頻率、占空比、是否間歇性停振CH2輸出電容兩端1:1探頭或同軸電纜AC耦合帶寬限制20MHz看輸出電壓紋波、瞬態(tài)跌落幅度和恢復(fù)過程CH3可選FB反饋引腳10:1探頭觀察噪聲耦合判斷反饋采樣路徑是否受SW干擾CH4可選輸入電壓10:1探頭確認(rèn)輸入側(cè)是否被拉垮區(qū)分輸入與輸出問題觸發(fā)方式也得調(diào)對(duì)。抓啟動(dòng)掉電過程用下降沿觸發(fā)觸發(fā)電平設(shè)定在目標(biāo)電壓的90%左右抓過流打嗝把時(shí)基放大到幾十毫秒甚至幾百毫秒一格用單次觸發(fā)模式去抓整個(gè)啟動(dòng)波形。只盯著當(dāng)前屏幕上的穩(wěn)態(tài)波形看是抓不到重啟過程的。2. 坑點(diǎn)一環(huán)路補(bǔ)償余量不足負(fù)載一上就振環(huán)路補(bǔ)償是最能迷惑人的一個(gè)坑因?yàn)樗簧婕叭魏巍皦钠骷彼辛慵?shù)都在標(biāo)稱范圍內(nèi)但系統(tǒng)就是穩(wěn)不住。我見過不少工程師在這種問題上反復(fù)換芯片結(jié)果是“換十顆芯片十顆都振”最后才懷疑到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)頭上。2.1 為什么負(fù)載突變會(huì)讓環(huán)路振蕩DCDC本質(zhì)上是一個(gè)帶反饋的開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓通過分壓電阻反饋給誤差放大器誤差放大器輸出占空比控制信號(hào)環(huán)路要時(shí)刻修正輸出。問題在于從“輸出電壓偏差”到“占空比修正”再到“輸出電壓變化”這個(gè)閉環(huán)路徑是有延時(shí)的。一個(gè)開關(guān)周期、一個(gè)LC濾波器的相位延遲再加上誤差放大器本身的高頻極點(diǎn)都會(huì)把相位往后拖。當(dāng)負(fù)載突然增大時(shí)輸出電容放電電壓跌落反饋環(huán)要迅速加大占空比把電壓拉回來。如果相位裕量不夠這個(gè)“拉回來”的過程就會(huì)出現(xiàn)振蕩先過沖再過沖的修正形成典型的欠阻尼震蕩也就是示波器上看到的電壓周期性穿越目標(biāo)值。用生活化一點(diǎn)的方式理解就好比浴室水龍頭調(diào)水溫如果每次調(diào)完都要等三秒才出效果而你調(diào)一次等一秒就去動(dòng)第二次水溫就會(huì)忽冷忽熱來回折騰。環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)本質(zhì)上決定了這套“水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)”的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性之間的平衡。2.2 示波器上怎么判斷環(huán)路不穩(wěn)環(huán)路不穩(wěn)的典型波形十分好認(rèn)。CH2接輸出CH1接SW在加載瞬間能看到Vout先跌落然后不是平滑恢復(fù)而是出現(xiàn)一串逐步衰減或持續(xù)等幅的振鈴。嚴(yán)重時(shí)Vout會(huì)以幾kHz到幾十kHz的頻率持續(xù)振蕩CN2的峰值幅度可以達(dá)到幾十到幾百毫伏。SW通道的表現(xiàn)更有意思。固定頻率PWM架構(gòu)下如果環(huán)路不穩(wěn)你會(huì)看到開關(guān)脈沖不是均勻排列的而是呈“成串出現(xiàn)、間歇停振”的狀態(tài)也就是一段密集開關(guān)后停一下再來一段。COT架構(gòu)下則表現(xiàn)為開關(guān)頻率漂移、脈沖群抖動(dòng)甚至出現(xiàn)低頻次諧波。還有一個(gè)間接判據(jù)在正常工作時(shí)把電子負(fù)載從0.5A瞬間跳到1.5A觀察恢復(fù)時(shí)間。如果恢復(fù)時(shí)間超過幾百微秒或者恢復(fù)過程中出現(xiàn)明顯的反向過沖基本可以斷定相位裕量偏低。更專業(yè)的做法是用環(huán)路分析儀測(cè)相位裕度普通調(diào)試環(huán)境下沒這個(gè)條件用負(fù)載瞬態(tài)波形目測(cè)判斷完全夠用。2.3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)怎么調(diào)才有效這要分兩種情況說。如果DCDC芯片把補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)外置也就是FB引腳到COMP引腳之間掛了RC網(wǎng)絡(luò)那可以直接調(diào)。往簡單了說輸出電容和補(bǔ)償零點(diǎn)的匹配是核心。如果震蕩頻點(diǎn)較低通常是誤差放大器帶寬太窄或補(bǔ)償零點(diǎn)頻率太低試著把補(bǔ)償電阻調(diào)大一點(diǎn)把補(bǔ)償電容調(diào)小一點(diǎn)給環(huán)路更高帶寬。如果是內(nèi)部補(bǔ)償?shù)男酒热绾芏郈OT架構(gòu)的芯片能動(dòng)的就只有外部紋波注入電阻和電容。這類芯片的穩(wěn)定性依賴于反饋紋波如果輸出紋波因?yàn)镸LCC容量過大、ESR過低而變得太小芯片就會(huì)誤以為輸出“沒變化”占空比調(diào)節(jié)變得遲鈍進(jìn)而出現(xiàn)低頻振蕩。這時(shí)候適當(dāng)增加輸出端聚合物電容或者調(diào)整前饋電容能明顯改善。必須強(qiáng)調(diào)的是改補(bǔ)償參數(shù)前一定要拍照記錄原件參數(shù)一次只改一個(gè)變量。我見過有人一口氣把補(bǔ)償電阻電容全換了一遍結(jié)果振蕩確實(shí)沒了但負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)爛得一塌糊涂——因?yàn)槟愀静恢朗悄念w料起的作用。3. 坑點(diǎn)二電感“看著很大”實(shí)際早就飽和了電感飽和是帶載不穩(wěn)里最容易和環(huán)路補(bǔ)償混淆的故障之一。因?yàn)殡姼酗柡秃筝敵鲭妷和瑯訒?huì)跌甚至也會(huì)出現(xiàn)振蕩如果不看SW波形和電流波形很容易誤判成補(bǔ)償問題。電感飽和的本質(zhì)不復(fù)雜電感內(nèi)部磁芯能存儲(chǔ)的磁通量是有上限的。當(dāng)通過電感的電流大到一定程度磁芯進(jìn)入飽和區(qū)電感量從標(biāo)稱值迅速跌落可能從10μH直接掉到1μH甚至更低。電感量一跌開關(guān)導(dǎo)通期間的電流上升速度就變得很快峰值電流飆升輸出自然穩(wěn)不住芯片的限流保護(hù)也會(huì)被觸發(fā)。3.1 為什么不看感值、要看飽和電流曲線很多工程師選電感只看“電感量”和“額定電流”這是個(gè)大坑。電感規(guī)格書上的額定電流通常分為兩種一種是溫升電流ΔT40℃另一種是飽和電流電感量下降30%。這兩者都不是“超過這個(gè)值就徹底失效”的絕對(duì)界限但如果你用的飽和電流余量只有20%那么在大負(fù)載、高溫環(huán)境下電感可能早就工作在飽和區(qū)間了。我遇到過一個(gè)案例一塊標(biāo)稱2A輸出的板子電感選擇額定電流2.5A看起來沒問題。但實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)電流峰值在瞬態(tài)時(shí)能沖到2.2A而電感量在1.8A時(shí)就已經(jīng)下降了25%以上。峰值電流處電感量嚴(yán)重縮水導(dǎo)致SW節(jié)點(diǎn)尖峰增大、輸出紋波飆升、系統(tǒng)進(jìn)入勉強(qiáng)維持的臨界狀態(tài)。關(guān)鍵教訓(xùn)選電感時(shí)飽和電流至少要為最大峰值電感電流的1.2到1.5倍。峰值電感電流等于負(fù)載電流加上紋波電流的一半不是簡單按額定電流算。另外要注意高溫降額磁芯飽和電流也隨溫度變化鐵粉芯磁環(huán)在高溫下飽和電流明顯下降。3.2 用示波器識(shí)別電感飽和的波形特征沒有電流探頭也可以初步判斷電感是否飽和。把示波器CH1接SW節(jié)點(diǎn)CH2接輸出逐步增加負(fù)載觀察兩個(gè)特征第一個(gè)特征是SW節(jié)點(diǎn)電壓尖峰隨負(fù)載增大而明顯變高。這是因?yàn)殡姼酗柡秃箝_關(guān)管關(guān)斷瞬間的電流變化率di/dt很大漏感與線路寄生電感上的感應(yīng)電壓也就更高。正常的電感隨負(fù)載增大SW尖峰只溫和變化飽和狀態(tài)下尖峰會(huì)跳變式上升。第二個(gè)特征是占空比異常增大但輸出卻不再上升。正常工作時(shí)占空比增加一點(diǎn)輸出就會(huì)相應(yīng)增加飽和后占空比加到很大輸出卻紋絲不動(dòng)甚至下降這就說明電感電流已經(jīng)進(jìn)入“電流失控”狀態(tài)磁芯徹底飽和了。有電流探頭的話直接把探頭卡在電感或輸出線路的閉環(huán)上觀察電感電流波形。正常電感電流是三角波斜率在導(dǎo)通和續(xù)流階段呈線性的飽和時(shí)電流波形出現(xiàn)明顯的“彎曲”上翹峰值處斜率越來越大不再呈線性這就是磁芯飽和最直接的證據(jù)。3.3 飽和問題的處理思路處理方案有兩個(gè)方向。第一是換更大飽和電流的電感注意選型時(shí)看電感量-電流曲線而不是只看額定電流標(biāo)簽值。第二是降低紋波電流也