文章摘要

負載瞬變測試是檢查功率轉換器表現的一種快速方法，它可以反映出轉換器的調整速度，能將轉換器的穩定性問題凸顯出來。轉換器的負載調整特性、占空比極限、PCB布局問題和輸入電壓的穩定性也可經此測試快速顯現出來。

許多現今的電子設備都包含了計算和無線連接功能，這些功能電路常常表現出很重的脈沖負載特性。面對這種快速變化的脈沖負載，全新的DC/DC轉換器需要具有快速的環路響應特性來維持輸出電壓的穩定。為了測試這種類型的轉換器，擁有能夠生成與最終應用類似的快速變化的負載的工具是很重要的。

應用背景

對于具有比較穩定的負載的通用型DC/DC轉換器來說，快速的回路響應特性是不需要的，因而也不必進行負載瞬態響應特性的測試。但在把快速階躍變化的負載施加到一個穩壓器上時，必然在很寬的頻帶內對調節回路造成沖擊，在某些情況下甚至可能逼迫它們運行在控制回路的極限之下。

通過將一個快速變化的階躍負載施加到一個轉換器的輸出端，再對其輸出電壓的響應過程進行分析，可讓我們快速而且容易地知道這個轉換器在面臨這樣的狀況時能否維持其輸出電壓的穩定，同時也能凸顯出可能存在的環路穩定性問題、電源供應的穩定性問題、斜坡補償問題、負載調節性能和PCB布局問題。

圖1顯示了一個電流模式Buck轉換器在其負載發生1A快速跳變時典型的響應過程，其輸出電壓正常值VOUT NOM = 3.3V。

圖1. 電流模式Buck轉換器面對快速瞬變負載時的響應

電流模式轉換器對負載的階躍變化不能做出即時響應，所以，當負載發生階躍變化的時候，供給負載的電流最初是來源于輸出電容里的儲能。面對負載的快速跳變，輸出電容的ESR和ESL首先起作用，在輸出電壓上表現為一個不大的跳變和尖峰，然后才是輸出電容放電的開始，這將造成輸出電壓的下沉。

輸出電壓的下降將被誤差放大器感知到，相應地，這將導致VCOMP的上升，這又會增加開關Q1導通的占空比，電感電流因此增大以滿足負載增大了的需要。在此過程中，電壓下沉的幅度和恢復的時間將取決于多種因素：輸出電容的大小，負載電流跳變的幅度和它變化的速度dI/dt，誤差放大器的補償水平和整個控制回路的帶寬。

拋開由ESR和ESL造成的尖峰來看，轉換器的階躍響應過程在這個案例中看起來是非常平滑的，這表明此轉換器的表現是穩健的。響應過程中的電壓下沉幅度為75mV，相當于輸出電壓的2.2%，這對大部分3.3V的電源供應來說是可以接受的。需要注意的是，如果我們使用的輸出電容是低ESR的MLCC，由ESR所造成的跳變通常就看不出來。

可能影響轉換器面對負載階躍的響應過程的情形大概有這些：

1. 不穩定的控制回路：當控制回路調整得不好時，轉換器的控制作用可能過頭，快速負載階躍可能導致輸出電壓的顛簸或是存在振鈴現象，某些情況下甚至可能進入振蕩狀態。

2. 不穩定的電源供應：轉換器輸出端的負載跳變會導致轉換器輸入端的電源供應器的負載跳變。假如電源供應器的穩定性不好，或者是與轉換器匹配得不好，則電源供應器自身就可能振蕩起來，這必然會傳遞到轉換器的輸出端，看起來就像轉換器的控制回路不穩定一樣。

3. 斜坡補償問題：電流模式轉換器采用斜坡補償方法避免高占空比應用中可能出現的次諧波振蕩。為了讓斜坡補償工作正常，適當程度的電感電流紋波是必須的。電感選擇不當會導致不當的電流紋波，并在遇到階躍負載時出現不穩定的次諧波。

4. 在占空比極限下工作：當轉換器在靠近最小/最大占空比的狀態下運行時，負載的快速階躍變化將使轉換器觸及占空比的極限，這將導致輸出電壓下沉或上沖過度，某些時候甚至會造成轉換器運作在保護模式下。

5. PCB布局問題：假如由于PCB布局而造成的阻抗出現在轉換器的小信號環節和功率環節上，電壓的耗損和噪聲的耦合就會發生，這將劣化轉換器對階躍負載的響應特性。假如負載處在遠離轉換器的地方，多出來的路徑阻抗會在負載增加時導致電壓的下沉，劣化轉換器的負載調整性能。此外，當負載發生跳變時，路徑電感也能導致振鈴信號的出現。

下圖顯示了一個3.3V / 3A轉換器負載階躍響應較差和良好的例子。左邊的例子顯示調節器輸出電壓在負載暫態后出現嚴重的振鈴現象，說明控制回路具有邊際穩定性。在大多數情況下，這與反饋回路補償結合輸出電容值有關。

測試的實施（以客戶實測場景為例）

客戶這邊之前的產品沒有測試過這個參數，批量生產后發現后端MCU在現場大量過壓損壞。后更換DCDC芯片，廠商說絕對不會有類似問題。但是客戶還是不放心，希望我們可以協助測量一下。

我們采用了如下的測試方案

一個受脈沖發生器控制其通/斷的MOSFET開關。MOSFET開關的切換速度可用其柵極的可選的RC網絡進行調節；MOSFET漏極連接的電阻R2可根據需要的動態負載調節幅度進行選擇；電阻R1用于設定負載階躍的靜態基點。負載電流的階躍變化可通過示波器的電流探頭進行測量，對轉換器輸出電壓的測量則需要在輸出電容或是負載點上進行。

使用AFG31252產生一個快速脈沖，AFG31252可以輕松產生4ns的上升或者下降邊沿。

我們的測試環境搭建完畢

我們使用了這款DCDC的評估板，這是一款只到52V的耐壓的BUCK的開關穩壓器，評估板很貼心的使用了BNC接口，方便我們對紋波和 Load Transient進行測量。

我們看到，這顆芯片肯定做過非常特殊的處理。當負載發生大幅度快速階躍時幾乎完全沒有電壓過沖發生。這一定是對于電壓敏感型負載特殊優化過，這對于一些需要DCDC后面直接帶MCU這種對電壓要求很敏感的需求來說非常重要。

我們打開波形，可以看到，得益于AFG31000系列的4ns的上升速度和TCP0030A高速電流探頭的120Mhz帶寬，得以觀測到，這個電流快沿時間速度高達1.6A/us !

這樣就夠了么？可以告訴客戶，放心用，不會再燒后端了。并沒有！

通過手冊我們得知，由于這顆芯片支持多模式開關方式切換，為了可以在各種工作電流情況下都得到最優的效率。

所以我們還需要繼續測試在各種模式轉換過程中，是否存在過壓發生。

結論

經過對于多種工況的負載條件測試，基本都沒有發現嚴重的過壓情況發生，客戶看到后對這套儀器的性能非常滿意。我們通過這套組合，讓客戶一方面了解了這種需求的測試方式，另一方面輔助客戶更快、更可靠地實現快速量產。