深入解析电源稳定性
硬件十万个为什么 2024-06-14

在电源系统设计的关键阶段,对于电源输出进行全面而深入的测试是确保系统稳定性和可靠性的至关重要的一步。这一系列的测试旨在评估电源输出在快速变化负载条件下的表现,以确保在实际应用中电源系统能够稳定、可靠地响应各种动态需求。重点我们需要关注电源上电过程中过冲(Overshoot)和下冲(Undershoot)测试。

在接下来的内容中,我们将深入探讨电源工作过程中异常输出的测试方法、测试条件以及测试结果的解读。通过全面的测试和分析,我们旨在为电源系统的设计和优化提供可靠的数据支持,确保系统在各种负载变化下都能够保持稳定和可控的输出状态。这些测试通常是电源集成电路或电源系统设计和评估的一部分。以下是这些测试的主要内容:

电压上升通道和下降通道测试:

目标:评估电源在电压上升和下降时的响应特性。

测试内容:测试电源在电压上升和下降通道中是否存在脉冲尖刺(Glitch)以及负斜率,这些现象可能会对系统产生不良影响。

Overshoot 和 Undershoot 测试:

目标:评估系统在电压变化时是否产生超过或低于目标值的瞬时过冲和欠冲。

测试内容:测量实际输出相对于稳态值的过冲和欠冲幅度,并评估恢复到稳态值所需的时间。

波动跌落(Dip)、下电跌落(Sag)和过电压(Surge)测试:

目标:评估电源在稳态后是否存在波动跌落、下电跌落或过电压。

测试内容:测量电源在稳态时的波动跌落、下电跌落和过电压,以及这些现象的幅度和持续时间。

这些测试旨在确保电源在面对不同工作条件和负载变化时能够提供稳定、可靠的电压输出。在实际应用中,电源的性能对于连接到其输出的电子设备的正常运行至关重要。通过进行这些测试,设计者能够优化电源系统,确保其在各种工作条件下都能够稳定可靠地工作。

测试目的验证待测电源在开/关机时,输出电压及信号是否符合规格要求(考察反馈设计是否欠阻尼或过阻尼):是否有电压过冲, 是否有电压回落, 是否有震荡、震铃。

输入:规格中定义的最小及最大输入交/直流电压,最小及最大交流频率

输出:规格中定义的最小及最大输出负载

温度:最低工作温度,常温及最高工作温度

1、测试步骤

1)依规格要求设定最低环境工作温度,最小输入电压/频率及最大负载;

2)以待测电源提供的各种开/关机方式开/关机(如AC on/off, Remote on/off), 观察各路输出及信号线状况并记录测试波形(如下图所示):

电压进入上升通道之前以及电压下降到10%之后,是否有Glitch(脉冲尖刺)。电压上升沿和下降沿有无负斜率出现。有无Overshoot、Undershoot,若有,则以实际输出稳态值为基准,测量Vovershoot、Vundershoot及恢复时间Tr(Tr:从第一个过冲最大值开始到输出进入稳态值所需时间),进入稳态后是否有波动跌落(Dip)、下电跌落(Sag)和过冲(Surge),如图15.10所示

"Glitch"是指毛刺,它指的是瞬时的、短暂的电子或数字系统中的故障或干扰,可能导致系统的错误操作或不寻常的行为。"glitch"通常描述了一个短暂的、非预期的信号波动或系统行为,这种现象可能是由于电磁干扰、电源噪声、信号间干扰等原因引起的。

过冲(Overshoot)和下冲(Undershoot)

过冲测试(Overshoot Testing):

  • 目标:过冲测试的主要目标是评估系统在输入信号发生快速变化时是否产生超过目标值的瞬时过冲。

  • 性能评估:测试系统在输入信号变化时,是否在达到新稳态值之前产生瞬时过冲。

  • 控制系统设计:对于控制系统,过冲测试关注系统响应是否受到适当的控制,以避免超过目标值。

  • 信号处理:在信号处理系统中,过冲测试评估系统对于瞬时信号变化的处理能力。

下冲测试(Undershoot Testing):

  • 目标:下冲测试的主要目标是评估系统在输入信号发生快速变化时是否产生低于目标值的瞬时欠冲。

  • 性能评估:测试系统在输入信号变化时,是否在达到新稳态值之前产生瞬时欠冲。

  • 控制系统设计:对于控制系统,下冲测试关注系统响应是否受到适当的控制,以避免低于目标值。

  • 信号处理:在信号处理系统中,下冲测试评估系统对于瞬时信号变化的处理能力。

这两个测试都涉及到系统对于瞬时信号变化的动态响应。在电子系统设计中,通过合理的控制系统设计、控制器算法和稳定性分析,可以最小化过冲和欠冲的影响,确保系统在面对快速变化的输入信号时表现稳定、可靠。

"Sag" 和"Dip" 是在电力系统领域中用于描述电压降低的两个术语,它们通常用来表示瞬时的电压下降。尽管它们在某些上下文中可能被用作同义词,但在一些情况下,它们可能具有一些微妙的区别。

Sag:"Sag" 指的是电压短暂降低的现象,通常在数周期内可见。Sag 可能是由于电源故障、瞬时过载、设备故障或其他突发事件引起的。它是一种瞬时的电压不稳定性。一般Sag指电压跌落低于Vout的5%。

Dip:"Dip" 也是指电压的短暂降低,与Sag 类似。然而,有时 "Dip" 可能更广泛地用于表示瞬时的电压不稳定,包括电压的短时降低和波动。

"Overshoot"和 "Surge" 的中文分别是 "过冲" 和 "过电压"。

过冲("Overshoot"):

"过冲" 主要用于描述控制系统、信号处理等领域中的现象,指的是响应在达到稳态或目标值之前,短暂地超过了目标值的情况。在电路、机械系统等方面,也可能用于描述类似的现象。这与控制系统中的稳定性和响应特性有关。指的是响应在达到稳态或目标值之前,短暂地超过了目标值的情况。在控制系统中,过度冲过目标值可能会导致系统不稳定或振荡。

过电压("Surge"):

"过电压" 主要用于电力系统领域,描述电压瞬时上升的现象。过电压可能是由于电源突然断开、突然的负载变化、雷击等原因引起的瞬时电压波动。这与电力系统中设备保护和稳定性有关。通常用于描述电力系统中电源电压瞬时上升的现象。这可能是由于电源突然断开、突然的负载变化或其他原因引起的瞬时电压波动。在电力系统中,过冲可能会对电子设备造成损害,因此在设计电力系统时通常需要采取措施来抑制过冲。

3)依次改变测试条件(输出负载,输入电压/频率及环境温度),重复步骤2。

2、判定条件

(1)待测电源正常开/关机且不会损坏;

(2)各路输出及信号线上不可有Glitch出现;

(3)各路输出的Overshoot、Undershoot以及调整时间Tr1(包括震荡/震铃)符合规格设计要求;

(4)各路输出及信号线上Dip/Sag/Surge仍然符合设计规范(如稳压要求及逻辑信号高低电平规范)。

3、改善措施

(1)对Glitch,需要检查电源内部控制芯片的启动时序;有时,这一问题也可能是芯片设计不良造成;

(2)对负斜率的出现:

① 检查电源内部不同电流回路的启动时序(如风扇启动),

② 观察PWM脉冲变化状况,以确定是否需要调整反馈电路;

(3)对Overshoot及Undershoot,调整反馈电路的阻尼系数。

测试结果的读取:调节好Slew Rate后,按测试工作表中的测试项, 打开负载后,测试电压输出是否过冲。将测试结果(过冲电压Vovershoot、过冲时间tos)填到表格中。

此处可以看到,我们关注Overshoot时,需要关注电压和时间。相当于,需要关注超过额定电压的持续时间,造成的能量累计的结果。

如何利用输出电感和输出电容,调整Overshoot和Undershoot。

1)电感值:影响纹波电流及电源动态调整的性能。输出电感的选择是纹波电流(output current ripple)和效率的折中考虑。电感的感值可以用如下公式计算:

Fsw为开关频率。△Iout为输出纹波电流。

2)由上面公式可知,电感的感值越大,输出纹波电流就越小。但带来问题是动态响应(response time)变慢。如果电感感值较小,如果想输出电压的纹波也小,就需要提高开关频率,这样MOS管上的开关损耗就增加,电路效率下降。

3)比较合理的选择是设置ripple current △Iout=0.3Iout。如果需要较好的动态响应,例如X86处理器的Core电源等。L值可往偏小选取,一般在150nH-250nH之间。如果对动态响应无特殊要求,L值可往大选取,一般可选600nH以上,以得到较小的纹波电流。

输出电容是为了控制输出电压的纹波和提供负载瞬时电流的。

静态情况下,主要考虑电压纹波△V。影响比较大的是输出电容的ESR,ESR的最大值跟输出电压纹波和纹波电流有关系。

当电感选定以后,△Iout可以计算。可知如果需要较小的电压纹波,输出电容的ESR也要比较小。

输出电容应该由大容量的铝固体电容或坦电容和小容量的陶瓷电容搭配使用。

电容的容量要考虑能提供短暂的续流能力,保证在负载动态变化较大时能正常工作。

选用0.47μH电感时,电感纹波电流为2.6A,若为1μH, 纹波电流则为1.2A,输出电压纹波会降低。

另一方面,动态性能会降低, 负载动态跳变时(这里应用满载跳空载,同样的输出电压过冲Vover),使用更大电感需要更多的输出电容来抑制过冲。

如Vover=30mV, Itran(max)=6A, Vout=1V。

则L=0.47μH时,需要的电容量为:Cout(min)=564μF。

若L=1μH时,需要的电容量为:Cout(min)=1200μF。(实际DSP的负载跳变没有这么大,选用2个470μF)。




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