原创 【晒一波电源】电源问题分析：输出电压非单调上升...

图1 电源线路

图1所示，是此文要分析的问题的线路，该电源线路支持输入电压VIN从12V到20V，输出可以是5.39V或者11.55V。

图2 VOUT=5.39V的启动波形正常，单调上升

图2所示，该线路在输入为12V或20V时，VOUT=5.39V的启动波形正常，单调上升。

图3 输出电压非单调上升

图3所示，将PQ6601移除，D和S之间短路，该线路会固定在VOUT=11.55V输出，发现该线路在输入为12V或20V时，输出电压从0上升到11.55V过程中都有非单调上升的不良现象；该非单调上升不良，与[ 挖一个小小电容引发的大大BUG ]中提到的非单调上升不良，二者不尽相同，导致问题的原因可能也不尽相同。
此文，正是要分析图3中的问题...此处，先埋下个伏笔：图2、图3的输入电压都是20V，且提供输入电压的source(vin) slew rate = 1V/ms...

图4 EN、VOUT波形

图4所示，增加EN使能信号，EN是正常的，并非EN异常导致。

图5 EN、PH、VOUT波形

图5所示，增加开关节点PH波形，发现在VOUT从0上升到11.55V过程中跌落的这段，与PH波形停止是对应的。是因为PH停止打波形了，导致输出电压开始跌落...

图6 重新换块主板

图6所示，在某块主板遇到不良时，咱们通常都会重新找块主板做对比，发现另一块主板也有相同的问题。
这个电源线路在首版时，测试过5.39V输出的ripple、noise、开关频率、load transient等，都是OK的；难道咱们的电源线路在11.55V输出条件下有bug？

图7a VIN、EN、PH、VOUT波形

图7b VIN、EN、PH、VOUT波形

图7所示，增加VIN波形；VIN从0上升到20V，横轴10div，VIN上升时间约为10div * 10ms/div = 100ms；在PH停止打波、VOUT上升到最大值7.061V时，对应的输入电压VIN才从0上升到8.421V...
从输入到输出的voltage drop = 8.421V - 7.061V = 1.36V ...

图8 VIN=10V时，VOUT=8.378V，单调上升

图8所示，如果将该线路配置输入电压VIN = 10V，低于该线路允许的最小范围12V，此时会因为输入电压过低，输入输出中间的转换损耗，无法维持或得到预设的11.55V，输出最大值仅为8.378V（这部分的原理，VOUT与VIN等其他参数的关系，可参考“ 同步BUCK电路输出电压最小值和最大值精确的计算公式？来看看是怎么推导出来的... ”）。

 
此时，我们可以关注到输入电压从0上升到10V对应的时间只有4div * 2ms/div = 8ms左右了…
从输入到输出的voltage drop = 10.12V - 8.378V = 1.742V；而且，输出电压VOUT = 8.378V是单调上升的...
此处，结合图7和图8的结果说明，在图7中VIN才上升到8.421V时，VOUT上升到最大值7.061V，还没有达到预设的11.55V，原则上是需要继续上升的，但是因为此时的VIN不满足VOUT继续上升了，电源IC可能会顶到最大占空比或者OCP阈值，导致启动失败...

 
这里需要说明的是，如前文伏笔所述：以上波形输入电压都是20V，提供输入电压的source(vin) slew rate = 1V/ms...当然，这是在找到此文所述的输出电压非单调上升的原因之后，才能在此处给出的说明...

这里开始转折了...前文分析的输出电压非单调上升的主板，因为前面一个source设备被别的同事占用，我就换了另外一个相同型号的source继续进行debug...

图9 (b source)VIN=20V时，VOUT=11.67V，单调上升

图9所示，相同的一个主板在a source上测试，给出相同的VIN=20V电压，输出电压就是非单调上升的；在b source上测试，输出电压就是单调上升的...
凭着工程师的直觉，我想到，可能是source给出的voltage slew rate有关，通过查看发现，a source配置的output voltage slew rate是1V/ms，b source配置的output voltage slew rate是10V/ms...

 
所以，综合图7和图9，相同的“不良”主板，图7输出电压非单调上升的结果，是在source output voltage slew rate = 1V/ms条件下测得的，VIN对应的上升时间约为100ms；图9输出电压单调上升的结果，是在10V/ms条件下测得的，VIN对应的上升时间约为10ms。
这里之所以给不良二字加了引号，是因为此文分析的电源电路仅在测试过程中存在这种非单调上升现象，在实际系统上电工作时，输出电压也是单调上升的，不存在非单调上升现象。

 
当然，如果实际系统上电的VIN slew rate也比较小的话，比如是1V/ms，也是可能存在输出非单调上升不良现象的...

3.1 此文分析的问题，本质上是电源时序问题

图10 电源的VIN和VOUT上升时间

图10(a)所示，当电源电路的输入电压VIN上升时间大于输出电压VOUT上升时间，或者VIN上升到目标电压的时刻落在了VOUT上升到目标电压之后时，就容易出现输出电压非单调上升的不良现象...

 
此文分析的电源电路在测试过程中遇到的问题就属于这类不良。具体来说就是，在上电启动过程中，在一定的soft start time内，VOUT以更大的slew rate追上了VIN，这时VIN与VOUT之间的voltage drop不足以使VOUT上升到目标电压，所以出现了图3中的非单调上升现象...

图10(b)所示，当VIN从0上升到目标电压所用的时间小于VOUT从0上升到目标电压所用的时间或者说是电源电路的soft start time时，相对来说就不容易出现输出电压非单调上升现象。

 
3.2 电源电路问题分析方法
(1) 示波器发现输出电压VOUT非单调上升...
(2) 示波器增加通道EN...发现EN使能信号是正常的...
(3) 示波器增加通道PH...发现PH波形是异常的，PH停止打波，与VOUT跌落是对应的...
(4) 示波器增加通道VIN...对比VIN和VOUT，有经验的工程师，可能会发现其中的端倪...
(5) 还可以将SS引脚的波形抓出来确认...
(6) 有时基于某几个信号并不能找到问题点，就需要继续增加电源上其他更多节点的波形，从整个电源的宏观角度来找问题点...甚至，像[ 我的直流输出电压为何是周期信号？ ]这篇中分析的一样，需要从多个电源的宏观角度找问题...

 
3.3 小议“工程师的直觉”
前文提到“凭着工程师的直觉”；那么，作为工程师的我们，直觉从何而来呢？我的心得是，从理论学习中来。
有句话说“实践出真知”。我认为，这句话是针对研究前沿技术的科学家而言的，他们的工作才是从大量的实验和实践中总结出规律或真理，而我们大多数的工程师更加需要的是相反的，只学习掌握更多的理论知识，然后使用这些理论知识更好地指导实践即可。
否则，就像[ 挖一个小小电容引发的大大BUG ]这篇文中分析的软启动功能，对于不懂的人来说，遇到了这个问题，花了很长时间研究学习，然后通过增大软启动电容解决了这个问题，可以认为是“实践出来了所谓的‘真知’”。但是，对于已经学习过相关理论知识懂了的人来说，就不是“实践出来的‘真知’”，抓个输出端的波形，几秒钟可能就能意识到问题所在，或者知道接下来该如何进一步分析...

 
所以，诸君，并不是自己不知道的东西，实践出来了，都叫“真知”；这也可能是信息不对称，自己不知道的，可能别人已经知道了...
所以，诸君，如果你们有好的电源调试案例，如果愿意，可以整理给我，发表出来供大家学习进步...
所以，诸君，让我们共同学习，共同进步...
所以，诸君，让我们勤学不辍，日拱一卒...