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1 開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)述
開(kāi)關(guān)電源（Switching Mode Power Supply，常常簡(jiǎn)化為SMPS），是一種高頻電能轉換裝置。其功能是將電壓透過(guò)不同形式的架構轉換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。
開(kāi)關(guān)電源的拓撲指開(kāi)關(guān)電源電路的構成形式。一般是根據輸出地線(xiàn)與輸入地線(xiàn)有無(wú)電氣隔離，分為隔離及非隔離變換器。非隔離即輸入端與輸出端相通，沒(méi)有隔離措施，常見(jiàn)的DC/DC變換器大多是這種類(lèi)型。所謂隔離是指輸入端與輸出端在電路上不是直接聯(lián)通的，使用隔離變壓器通過(guò)電磁變換方式進(jìn)行能量傳遞，輸入端和輸出端之間是完全電氣隔離的。
對于開(kāi)關(guān)變換器來(lái)說(shuō)，只有三種基本拓撲形式，即：
● Buck（降壓）
● Boost（升壓）
● Buck-Boost（升降壓）
三種基本拓撲形式，是電感的連接方式?jīng)Q定。若電感放置于輸出端，則為Buck拓撲；電感放置于輸入端，則是Boost拓撲。當電感連接到地時(shí)，就是Buck-Boost拓撲。
2 容易引發(fā)系統失效的關(guān)鍵參數測試
以下的測試項目除了是指在靜態(tài)負載的情況下測試的結果，只有噪聲(noise)測試需要用到動(dòng)態(tài)負載。
2.1 Phase點(diǎn)的jitter

對于典型的PWM開(kāi)關(guān)電源，如果phase點(diǎn)jitter太大，通常系統會(huì )不穩定（和后面提到的相位裕量相關(guān)），對于200~500K的PWM開(kāi)關(guān)電源，典型的jitter值應該在1ns以下。
2.2 Phase點(diǎn)的塌陷
有時(shí)候工程師測量到下面的波形，這是典型的電感飽和的現象。對于經(jīng)驗不夠豐富的工程師，往往會(huì )忽略掉。電感飽和會(huì )讓電感值急劇下降，類(lèi)似于短路了，這樣會(huì )造成電流的急劇增加，MOS管往往會(huì )因為溫度的急劇增加而燒毀。這時(shí)需要更換飽和電流更大的電感。
 
2.3 Shoot through測試
測試的目的是看上MOS管導通時(shí)，有沒(méi)有同時(shí)把下管打開(kāi)，從而導致電源直接導通到地而引起短路。如圖三所示藍色曲線(xiàn)（Vgs_Lmos）就是下管在上管導通的同時(shí)，被帶了起來(lái)，如果藍色曲線(xiàn)的被帶起來(lái)的尖峰超過(guò)了MOS管的Vth要求，同時(shí)持續時(shí)間（Duration）也超過(guò)了datasheet要求，從而就會(huì )有同時(shí)導通的風(fēng)險。當然，這是大家最常見(jiàn)到的情況。
 
下面這種情況有非常多的人會(huì )忽視，甚至是一些比較有經(jīng)驗的電源測試工程師。下面組圖四是下管打開(kāi)，上管關(guān)閉時(shí)候的波形（圖4-1是示意圖，圖4-2示實(shí)際測試圖）。雖然沒(méi)有被同時(shí)帶起的情況，但是請注意上下管有交叉的現象，而且交叉點(diǎn)的電平遠高于MOS管規定的Vth值，這是個(gè)嚴重的shoot through現象。最直接的后果就是MOS管燒毀！
      
2.4 相位裕量和帶寬 (phase margin and bandwidth)
相位裕量和帶寬是很多公司都沒(méi)有測試的項目（尤其是規模較小的公司受限于儀器），但是這卻是個(gè)非常重要的測試項目。電源系統是否穩定，是否能長(cháng)時(shí)間（3年或以上）有效工作，相位裕量和帶寬可以在很大程度上說(shuō)起了決定性的作用。很多公司完全依賴(lài)于電源芯片廠(chǎng)家給的參考設計方案里的推薦值，但是跟你的設計往往有不小的差異，這樣會(huì )有很大的潛在風(fēng)險。
如果系統是一個(gè)不穩定的系統，反映在一些電源測試項目里面，會(huì )看到以下幾個(gè)主要問(wèn)題。
● 電源的Noise測試通過(guò)，但是電源依然不穩定。表現為功能測試fail。常常有工程師在debug時(shí)說(shuō)我的電源noise已經(jīng)很小了，加了很多電容了，為啥還是跑不動(dòng)呢？其實(shí)是他的閉環(huán)系統本來(lái)就不穩定。
● Phase點(diǎn)jitter過(guò)大。這是比較典型的不穩定現象。
● 瞬態(tài)響應(Transient response)太大。最笨的辦法就是加很多電容，去滿(mǎn)足瞬態(tài)響應的要求。對于低成本產(chǎn)品，這可是要錢(qián)的啊。
如果你沒(méi)有用正確的方法測試出系統的環(huán)路增益的波特圖，那么你如何下手去調試這些項目讓他通過(guò)測試呢？只有來(lái)來(lái)回回不停作實(shí)驗。然后來(lái)來(lái)回回跑功能測試。Oh, my god, 浩大的工作量。而且，對于一些低成本的產(chǎn)品，往往用到了鋁電解電容，MLCC電容等低成本方案（電感，電阻值基本沒(méi)有變化）。這些電容的容值會(huì )隨著(zhù)時(shí)間變化而減少。如MLCC，系統運行在正常溫度兩年~三年，容值會(huì )變到原來(lái)的一半。而這一半電容的變化，會(huì )對系統的穩定造成很大的影響，這也是為什么很多低價(jià)的產(chǎn)品質(zhì)量不可靠的一個(gè)重要原因。那是不是說(shuō)價(jià)格越高，用越多的電容就越好呢，當然不是。這就是為啥要測試phase margin的原因。你需要調試一組合理的值，能夠同時(shí)覆蓋全電容以及半電容的要求。這樣同樣能做到低價(jià)格高品質(zhì)。
根據奈奎斯特定理對系統穩定性要求，規范要求一個(gè)閉環(huán)系統的相位裕量最少為60度，45~60度可以考慮為最低限額要求。對于帶寬，200~500K的開(kāi)關(guān)電源的要求在10%~30%的開(kāi)關(guān)頻率。從開(kāi)關(guān)電源的穩定性看帶寬越低，電源越容易穩定。從開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)指標看，帶寬越高電源的動(dòng)態(tài)性能越好。
 
另外一點(diǎn)非常重要的是，除了PWM開(kāi)關(guān)電源，有很多線(xiàn)性電源(LDO)，其補償網(wǎng)絡(luò )在芯片外部的，也要做類(lèi)似的環(huán)路增益的波特圖測試，從而確保其穩定性。LDO的測試，是絕大多數廠(chǎng)家容易忽略掉的。比如如下圖六所示這種電路，很多人會(huì )直接測量noise完事。

我們有可能會(huì )看到的相位裕量不能達到要求。只有30度左右。這個(gè)時(shí)候，只有調試不同的參數，才能得到比較好的結果。從而滿(mǎn)足系統穩定性的要求。
 
2.5 電源紋波(ripple)和噪聲(noise)
電源紋波和噪聲，看起來(lái)是電源測試里面最簡(jiǎn)單的項目。但是也有可能對你的測試結果和功能有比較大的影響。
首先是紋波，我們測試的時(shí)候，只是看是不是符合規范要求，比如30mV等等。有些時(shí)候，紋波和系統的PLL是有關(guān)系的。如果你的PLL jitter不過(guò) ，可以考慮進(jìn)一步減小ripple。
噪聲，有人會(huì )問(wèn)，為啥我的系統noise和他的系統noise基本是一個(gè)范圍，但是我的系統會(huì )跑fail呢？首先我們要排除前面講的系統穩定性原因，然后，親，你有沒(méi)有用示波器做過(guò)FFT，看看同樣noise在頻域上的區別呢？