最近幫朋友調(diào)試一塊多路輸出的電源板遇到一個(gè)很典型的怪現(xiàn)象某一路在輸出端額外加了一級(jí)LC濾波用來(lái)壓紋波結(jié)果負(fù)載一切換輸出電壓就開(kāi)始像燒開(kāi)的水一樣抖動(dòng)甚至還能聽(tīng)到輕微嘯叫。用環(huán)路分析儀一測(cè)相位裕度只剩幾度LC諧振峰直直地凸在0dB上方。這就是LC型濾波電源里最常見(jiàn)的坑濾波器本身很聽(tīng)話(huà)但把它放進(jìn)閉環(huán)系統(tǒng)之后穩(wěn)定性問(wèn)題全暴露出來(lái)了。這篇文章就圍繞“LC型濾波電源 閉環(huán)系統(tǒng) 穩(wěn)定性”這三件事展開(kāi)把我調(diào)試這類(lèi)電源時(shí)踩過(guò)的坑、用過(guò)的工具、最后總結(jié)出的工程手段一次性講清楚。無(wú)論你是剛接觸電源環(huán)路的新手還是已經(jīng)在用環(huán)路分析儀和負(fù)載瞬態(tài)工具的老手里面提到的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、monkey穩(wěn)定性測(cè)試思路、以及最后那張問(wèn)題速查表應(yīng)該都能直接用上。1. LC濾波電源為什么總是和“穩(wěn)定”過(guò)不去1.1 一個(gè)真實(shí)的調(diào)板現(xiàn)場(chǎng)先感受一下癥狀先說(shuō)那個(gè)具體的故障現(xiàn)象。板子是標(biāo)準(zhǔn)Buck架構(gòu)12V輸入1.2V輸出開(kāi)關(guān)頻率500kHz。設(shè)計(jì)時(shí)為了把輸出紋波從30mV壓到10mV以?xún)?nèi)工程師在輸出端額外加了一級(jí)LC也就是一顆10uH功率電感和兩顆100uF陶瓷電容組成二次濾波。仿真紋波確實(shí)很漂亮但實(shí)際裝上去之后只要電子負(fù)載從1A跳到3A輸出就不是正常的階躍響應(yīng)而是先沖一下然后以大約5kHz的頻率來(lái)回振蕩衰減非常慢。當(dāng)時(shí)我第一反應(yīng)是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不對(duì)。因?yàn)長(zhǎng)C濾波的諧振頻率約等于1/(2*pi*sqrt(10uH * 100uF))算出來(lái)就是5kHz左右而示波器上看到的振蕩頻率也差不多5kHz這幾乎就是教科書(shū)級(jí)別的“LC雙極點(diǎn)導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定”。反饋網(wǎng)絡(luò)如果沒(méi)有針對(duì)這個(gè)諧振峰做補(bǔ)償相位在5kHz處已經(jīng)掉了快180度環(huán)路增益卻在5kHz附近還有余量于是系統(tǒng)就在這個(gè)頻率上形成了自激條件。這類(lèi)問(wèn)題很難單靠看輸出紋波發(fā)現(xiàn)因?yàn)檩p載時(shí)系統(tǒng)可能還能穩(wěn)住一旦負(fù)載階躍進(jìn)入“小信號(hào)變化被環(huán)路放大”的區(qū)域振蕩就會(huì)立刻浮現(xiàn)。所以處理LC型濾波電源第一件事不是調(diào)參數(shù)而是搞清楚LC濾波器在環(huán)路的什么位置以及它給開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)加了什么東西。1.2 開(kāi)關(guān)電源里最常見(jiàn)的兩種LC濾波形式LC濾波器在電源里出現(xiàn)的形態(tài)基本可以分成兩類(lèi)。一類(lèi)是輸入側(cè)EMI濾波器。交流或直流輸入先過(guò)一級(jí)LC甚至兩級(jí)LC用來(lái)抑制共模和差模噪聲向外傳導(dǎo)。這類(lèi)LC濾波器和閉環(huán)系統(tǒng)之間的恩怨主要在于它與后級(jí)DCDC的輸入阻抗會(huì)形成一個(gè)“負(fù)阻抗”交互。簡(jiǎn)單說(shuō)輸入電壓稍稍下降恒功率負(fù)載為了維持輸出功率會(huì)把輸入電流拉高這等效于一個(gè)負(fù)電阻。如果LC濾波器的輸出阻抗在某個(gè)頻率下高于負(fù)電阻的模值輸入級(jí)就會(huì)振蕩典型表現(xiàn)是整個(gè)電源像“喘息”一樣周期性停振、再啟動(dòng)。另一類(lèi)是輸出側(cè)二次濾波也就是我朋友這塊板子的情況。DCDC開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)出來(lái)的紋波經(jīng)第一級(jí)LC后已經(jīng)小很多設(shè)計(jì)者又嫌不夠再加一級(jí)LC或磁珠加電容。這類(lèi)濾波器直接位于閉環(huán)反饋采樣點(diǎn)之前會(huì)讓反饋信號(hào)延遲同時(shí)給功率級(jí)傳遞函數(shù)引入額外的極點(diǎn)。更微妙的是如果反饋采樣點(diǎn)放在兩級(jí)LC之后那控制環(huán)路為了維持負(fù)載端電壓穩(wěn)定就必須“繞過(guò)”兩個(gè)諧振點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的要求會(huì)高很多。很多工程師只在原理圖上糾結(jié)L和C的取值卻忽略了“這個(gè)濾波器到底在環(huán)路內(nèi)部還是外部”這往往是穩(wěn)定性判斷翻車(chē)的根源。加上LC之后如果只做開(kāi)環(huán)測(cè)試永遠(yuǎn)看不出問(wèn)題必須把它放到閉環(huán)里一起看。1.3 閉環(huán)視角LC雙極點(diǎn)和相位滯后是怎么發(fā)生的以電壓模式控制的Buck為例從占空比到輸出的傳遞函數(shù)本來(lái)就包含一個(gè)由輸出L和C組成的一對(duì)極點(diǎn)。這對(duì)極點(diǎn)在諧振頻率f0附近會(huì)帶來(lái)接近180度的相位滯后同時(shí)還有一個(gè)諧振峰峰值高度取決于品質(zhì)因數(shù)Q。如果外部再串一個(gè)LC濾波器情況會(huì)更復(fù)雜。忽略ESR的簡(jiǎn)化模型里兩級(jí)LC會(huì)貢獻(xiàn)兩對(duì)極點(diǎn)相位滯后最高可以到360度。即使只加一級(jí)LC反饋如果從濾波器輸出端采樣那么控制環(huán)路看到的就是“原本的Buck輸出極點(diǎn) 額外LC極點(diǎn)”穿越頻率附近的相位余量會(huì)被大幅吃掉。簡(jiǎn)單算一下就能理解。假設(shè)Buck本身的輸出濾波電感是4.7uH輸出電容100uF諧振頻率約7.3kHz再加一級(jí)10uH和100uF的LC諧振頻率5kHz。兩個(gè)諧振峰靠得很近相當(dāng)于在5kHz到8kHz這個(gè)區(qū)間環(huán)路增益曲線(xiàn)出現(xiàn)兩個(gè)“凸起”相位曲線(xiàn)卻像坐滑梯一樣往下掉。如果穿越頻率設(shè)在20kHz那這個(gè)位置很可能已經(jīng)沒(méi)有足夠相位余量了。這就是為什么“LC濾波電源”不能只當(dāng)濾波問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)它本質(zhì)上是控制對(duì)象發(fā)生了變化。后續(xù)所有的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、阻尼網(wǎng)絡(luò)選擇都是在跟這對(duì)額外的極點(diǎn)作斗爭(zhēng)。2. 判斷LC濾波電源閉環(huán)穩(wěn)定性的方法和工具2.1 判據(jù)不要只盯著相位裕度一個(gè)數(shù)做環(huán)路穩(wěn)定性分析最常用的判據(jù)還是開(kāi)環(huán)Bode圖上的增益裕度和相位裕度。工程上一般要求相位裕度45度以上最好在60度左右增益裕度6dB到10dB以上。對(duì)于LC型濾波電源相位裕度尤其敏感因?yàn)長(zhǎng)C諧振峰會(huì)在增益曲線(xiàn)和相位曲線(xiàn)同時(shí)制造突變稍不留神就出現(xiàn)“0dB處相位勉強(qiáng)夠但2kHz處相位已經(jīng)低于-180度”的隱藏風(fēng)險(xiǎn)。我個(gè)人的習(xí)慣是Bode圖至少要看三個(gè)頻率點(diǎn)低頻增益段看直流增益是否足夠高保證輸出電壓精度穿越頻率附近看相位裕度和增益曲線(xiàn)下降斜率是不是20dB/dec如果有40dB/dec甚至60dB/dec的急降說(shuō)明補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)沒(méi)有完全抵消LC極點(diǎn)高頻段看有沒(méi)有因?yàn)長(zhǎng)C諧振峰被錯(cuò)誤抬升導(dǎo)致的高頻尖峰。另外小信號(hào)相位裕度只是頻域判據(jù)工程上還需要配合時(shí)域瞬態(tài)來(lái)交叉驗(yàn)證。頻域看著有50度相位裕度時(shí)域負(fù)載階躍卻出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間振鈴這種情況在LC濾波型電源里不少見(jiàn)原因是LC的Q值高系統(tǒng)靠近穩(wěn)定邊界時(shí)即使沒(méi)有自激也會(huì)對(duì)階躍激勵(lì)產(chǎn)生欠阻尼響應(yīng)。所以我會(huì)要求項(xiàng)目里同時(shí)保留Bode測(cè)試和負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果兩者都過(guò)了才敢說(shuō)穩(wěn)定。2.2 環(huán)路分析儀實(shí)測(cè)注入點(diǎn)、注入幅度和接地處理要測(cè)量LC濾波電源的環(huán)路增益主流方法是把環(huán)路分析儀的注入變壓器串入反饋環(huán)路。常見(jiàn)的注入點(diǎn)是輸出采樣點(diǎn)和反饋網(wǎng)絡(luò)之間具體操作是把反饋電阻連接到輸出電壓的那根走線(xiàn)切斷把注入變壓器次級(jí)繞組串進(jìn)去注意保持直流工作點(diǎn)不變?nèi)缓笥妙l率響應(yīng)分析儀從10Hz掃到1MHz。實(shí)際操作中我認(rèn)為最影響測(cè)量準(zhǔn)確度的三個(gè)因素是注入幅度、注入點(diǎn)阻抗和接地方式。注入幅度一般控制在10mV到50mV之間。幅度太小開(kāi)關(guān)噪聲和探頭噪聲會(huì)淹沒(méi)信號(hào)Bode圖毛刺很多幅度太大電源進(jìn)入大信號(hào)非線(xiàn)性區(qū)域測(cè)出來(lái)的不是小信號(hào)環(huán)路增益而是某種“大信號(hào)平均值”相位判斷可能完全失真。對(duì)于LC型濾波電源我在掃頻時(shí)還會(huì)關(guān)注注入點(diǎn)前后的阻抗分布確保注入變壓器串聯(lián)的是低阻抗回路而不是高阻抗反饋節(jié)點(diǎn)。高阻抗節(jié)點(diǎn)注入信號(hào)容易被寄生電容分壓導(dǎo)致增益測(cè)量偏高。接地問(wèn)題也是重災(zāi)區(qū)。頻率響應(yīng)分析儀的輸入探頭最好用短地彈簧不要用鱷魚(yú)夾加長(zhǎng)地線(xiàn)。電源板上的開(kāi)關(guān)噪聲頻率很高地線(xiàn)一旦形成大回路探頭感應(yīng)到的噪聲就會(huì)疊加在測(cè)量結(jié)果上低頻段可能看不出高頻段相位曲線(xiàn)會(huì)亂跳。實(shí)測(cè)下來(lái)把測(cè)量點(diǎn)選在反饋網(wǎng)絡(luò)附近的本地地比隨便接在輸出電容負(fù)極更可靠因?yàn)楸镜氐氐碾娢桓蓛簟?.3 時(shí)域瞬態(tài)和monkey穩(wěn)定性測(cè)試讓負(fù)載自己隨機(jī)折騰環(huán)路分析儀顯示穩(wěn)定之后我還會(huì)做一臺(tái)“猴子測(cè)試機(jī)”。這個(gè)概念借用了軟件測(cè)試?yán)锏膍onkey test就是故意用隨機(jī)、不按常理的操作去點(diǎn)擊、輸入、切換看軟件會(huì)不會(huì)崩。用在電源閉環(huán)穩(wěn)定性上就是讓負(fù)載、輸入電壓、參考電平這些工作條件隨機(jī)變化用最不講道理的組合去逼迫環(huán)路暴露問(wèn)題。具體做法不復(fù)雜。用一個(gè)可編程電子負(fù)載把它設(shè)在動(dòng)態(tài)模式但同時(shí)用外部模擬信號(hào)去控制負(fù)載電流的設(shè)定值。信號(hào)源輸出一串隨機(jī)序列比如每隔幾十毫秒到幾百毫秒跳變一次跳變的幅度隨機(jī)從空載到滿(mǎn)載甚至在滿(mǎn)載和短路保護(hù)之間來(lái)回試探。音頻范圍內(nèi)還可以疊加一些隨機(jī)正弦波擾動(dòng)掃過(guò)LC諧振頻率附近。輸出端接示波器和功率分析儀連續(xù)跑半小時(shí)以上重點(diǎn)記錄負(fù)載切換后的恢復(fù)時(shí)間、振鈴次數(shù)、輸出電壓是否跌破規(guī)格、是否觸發(fā)打嗝保護(hù)。monkey穩(wěn)定性測(cè)試的價(jià)值在于傳統(tǒng)階躍測(cè)試只會(huì)用固定幅度和固定斜率而真實(shí)設(shè)備使用場(chǎng)景是亂七八糟的負(fù)載可能一會(huì)兒重載、一會(huì)兒輕載、一會(huì)兒脈沖群LC濾波器和環(huán)路在這種情況下更容易暴露出弱阻尼的振蕩特征。如果一個(gè)LC型濾波電源能通過(guò)8小時(shí)隨機(jī)負(fù)載壓力測(cè)試我對(duì)它的穩(wěn)定性信心會(huì)比單純看Bode圖高很多。在項(xiàng)目報(bào)告里我通常會(huì)附上一段monkey測(cè)試的判定標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)擾動(dòng)結(jié)束后輸出必須在200us內(nèi)回到額定值2%以?xún)?nèi)整個(gè)測(cè)試期間不允許出現(xiàn)超過(guò)100mV的持續(xù)振蕩也不允許保護(hù)電路誤動(dòng)作。有了這個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試就變得可復(fù)現(xiàn)了。3. 穩(wěn)住LC型濾波電源閉環(huán)系統(tǒng)的幾種工程手段3.1 先給LC諧振峰“減震”阻尼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)LC濾波器的問(wèn)題很大程度上來(lái)自諧振峰。品質(zhì)因數(shù)Q越高諧振峰越尖環(huán)路越容易在諧振頻率附近振蕩。所以第一個(gè)思路不是改反饋而是直接給LC網(wǎng)絡(luò)加阻尼把諧振峰壓下去。最簡(jiǎn)單的方式是在電感上串聯(lián)一個(gè)電阻用R給LC回路提供阻尼。這個(gè)電阻會(huì)直接消耗輸出電流重載時(shí)損耗大所以只適用于小電流場(chǎng)合。更常用的是并聯(lián)RC阻尼網(wǎng)絡(luò)也就是在LC的輸出電容旁邊并聯(lián)一個(gè)電阻和電容串聯(lián)支路。阻尼電阻Rdamp的典型取值量級(jí)在sqrt(L/C)附近阻尼電容Cdamp則要比主電容大數(shù)倍至少取主電容的4倍以上這樣阻尼網(wǎng)絡(luò)才能有效吸收諧振能量而不是和主電容形成新的諧振。舉個(gè)例子一個(gè)10uH電感配100uF電容sqrt(L/C)約0.316歐姆阻尼電阻選0.3到1歐姆之間都算合理阻尼電容可以取470uF。這樣的RC阻尼網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加一定的靜態(tài)損耗但會(huì)讓LC諧振峰從幾個(gè)dB的高峰壓平到接近0dB環(huán)路穩(wěn)定性壓力立刻小很多。對(duì)于輸入EMI濾波器同樣可以按這個(gè)思路做阻尼只是計(jì)算時(shí)要把負(fù)輸入阻抗帶來(lái)的穩(wěn)定性約束也考慮進(jìn)去。有些設(shè)計(jì)者喜歡用磁珠代替電感來(lái)做二次濾波。磁珠本質(zhì)上是一個(gè)高頻有損電感它的阻抗曲線(xiàn)在幾百兆赫茲才達(dá)到峰值在幾十千赫茲的LC諧振頻段損耗特性反而能起到阻尼作用。但磁珠的直流偏置飽和特性比較明顯大電流下感值會(huì)衰減需要看規(guī)格書(shū)上的偏置電流曲線(xiàn)否則實(shí)際效果會(huì)和理論計(jì)算差很多。3.2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Type II和Type III怎么選、怎么調(diào)阻尼解決的是LC本身的諧振峰問(wèn)題但控制環(huán)路仍然需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供足夠的相位提升。電壓模式控制的LC型濾波電源我一般直接上Type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)因?yàn)樗疃嗫梢蕴峁﹥蓚€(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)中的有效相位提升段專(zhuān)門(mén)對(duì)付那對(duì)難纏的LC極點(diǎn)。Type III補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單說(shuō)就是把第一個(gè)零點(diǎn)放在LC諧振頻率附近或略低讓穿越頻率附近獲得相位抬升第二個(gè)零點(diǎn)放在第一個(gè)零點(diǎn)到穿越頻率之間進(jìn)一步抵消相位滯后兩個(gè)極點(diǎn)則分別放在ESR零點(diǎn)和開(kāi)關(guān)頻率附近用來(lái)壓掉高頻噪聲和增益。表格對(duì)比一下補(bǔ)償類(lèi)型零點(diǎn)數(shù)極點(diǎn)數(shù)適用場(chǎng)景Type I01低帶寬高增益基本不用在LC濾波電源Type II12電流模式、ESR零點(diǎn)比較低的情況Type III23電壓模式、LC雙極點(diǎn)明顯的情況實(shí)際調(diào)參時(shí)我不會(huì)直接手算一版阻容值就完事而是先按經(jīng)驗(yàn)值搭一個(gè)起點(diǎn)反饋分壓上電阻10k歐姆跨接補(bǔ)償支路里R2取20k歐姆左右C1取680pFC2取68pF再用環(huán)路分析儀掃一遍Bode圖看穿越頻率和相位裕度最后微調(diào)C1和R2去移動(dòng)零點(diǎn)位置。整個(gè)過(guò)程通常要來(lái)回兩三次因?yàn)長(zhǎng)C元件的實(shí)際ESR、PCB寄生參數(shù)都會(huì)讓理論計(jì)算偏離。如果設(shè)計(jì)目標(biāo)是500kHz開(kāi)關(guān)頻率、LC諧振頻率5kHz我會(huì)把穿越頻率壓在20kHz到40kHz之間。穿越頻率太低動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢負(fù)載階躍恢復(fù)時(shí)間難看穿越頻率太接近LC諧振峰相位余量會(huì)被吃掉。這個(gè)平衡點(diǎn)需要靠實(shí)測(cè)Bode圖來(lái)確認(rèn)。3.3 更省事的路線(xiàn)改控制方式和采樣點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)來(lái)調(diào)去確實(shí)麻煩有些情況下?lián)Q個(gè)控制方式反而更直接。電流模式控制在芯片內(nèi)部多了一個(gè)電感電流內(nèi)環(huán)把功率級(jí)的電感從“積分環(huán)節(jié)”變成了“受控電流源”LC雙極點(diǎn)的其中一個(gè)被大幅削弱后級(jí)LC濾波器的諧振峰對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性的威脅也會(huì)小很多。這也是為什么很多帶輸出LC濾波的電源方案推薦用峰值電流模式或者谷值電流模式來(lái)控制。還有一招是改反饋采樣點(diǎn)。如果LC濾波器是外加的二次濾波反饋盡量從LC之后、靠近負(fù)載端的地方采樣而不是從第一級(jí)輸出采。雖然采樣點(diǎn)靠后會(huì)讓控制環(huán)路包含更多相位滯后但至少反饋信號(hào)反映的是負(fù)載真正關(guān)心的地方而且可以通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)去補(bǔ)償如果反饋點(diǎn)放在LC之前環(huán)路根本不知道LC后面的電壓在振那輸出負(fù)載端的振蕩就成了“無(wú)感振蕩”Bode圖測(cè)出來(lái)穩(wěn)定也沒(méi)有意義。采樣點(diǎn)確定后采樣線(xiàn)最好走差分或Kelvin方式避免采樣回路上疊加功率電流產(chǎn)生的地噪聲。很多LC濾波電源的偶發(fā)性振蕩根源并不在芯片補(bǔ)償而是采樣點(diǎn)取在了一塊地電位被大電流污染的區(qū)域。4. 實(shí)際調(diào)試中的常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧4.1 測(cè)量環(huán)節(jié)最容易騙過(guò)你的三種情況先說(shuō)說(shuō)測(cè)量里那些看起來(lái)正常、實(shí)際已經(jīng)失真得離譜的情況。第一種是示波器探頭地線(xiàn)夾過(guò)長(zhǎng)。開(kāi)關(guān)電源的高頻開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)通過(guò)地線(xiàn)回路耦合進(jìn)探頭負(fù)載切換時(shí)捕捉到的“振蕩”可能有一半是地線(xiàn)環(huán)天線(xiàn)感應(yīng)出來(lái)的而不是真正的環(huán)路振蕩。我現(xiàn)在的習(xí)慣是給反饋點(diǎn)和輸出電容測(cè)量點(diǎn)都用短地彈簧帶寬夠、電感小、干擾少。第二種是環(huán)路分析儀的注入幅度沒(méi)控制好。注入信號(hào)過(guò)大會(huì)讓電源在LC諧振點(diǎn)附近發(fā)生大信號(hào)跳變控制器可能進(jìn)入過(guò)流限幅甚至打嗝保護(hù)測(cè)出來(lái)的環(huán)路增益曲線(xiàn)在低頻段看不出問(wèn)題高頻段卻出現(xiàn)不正常的斜率相位數(shù)據(jù)完全不能用。注入信號(hào)過(guò)小也不行開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)把信號(hào)淹沒(méi)Bode圖一片毛刺。正確做法是先示波器觀察注入點(diǎn)信號(hào)保證它是干凈的正弦波然后再開(kāi)始掃頻。第三種是對(duì)實(shí)測(cè)相位裕度過(guò)于樂(lè)觀或過(guò)于悲觀。LC型濾波電源的相位曲線(xiàn)在諧振頻率附近變化非常劇烈頻率分析儀掃點(diǎn)間隔如果太粗比如每十倍頻程只取10個(gè)點(diǎn)可能會(huì)完美錯(cuò)過(guò)相位開(kāi)始急速跌落的位置得出一個(gè)虛高的相位裕度。我會(huì)在LC諧振頻率前后至少加密到每個(gè)倍頻程20到30個(gè)點(diǎn)才能確信那條相位曲線(xiàn)是真實(shí)的。4.2 PCB布局和反饋取樣這些“看不見(jiàn)的元件”經(jīng)常遇到客戶(hù)反饋原理圖仿真很穩(wěn)定樣板一上電就振蕩最后定位到PCB布局上。輸出LC濾波器的電容如果離負(fù)載太遠(yuǎn)中間一段走線(xiàn)就變成了寄生電感等于在濾波器后面又串了一個(gè)小電感等效模型和仿真完全不一樣。這類(lèi)問(wèn)題最明顯的特征是示波器探頭點(diǎn)在電容兩端是好的點(diǎn)在負(fù)載端就振主因是走線(xiàn)寄生電感和電容再形成一節(jié)LC。反饋采樣線(xiàn)也是很大的雷。反饋分壓電阻的地如果接在主功率回路的地銅排中間大電流流過(guò)時(shí)這一段地上會(huì)有一個(gè)幾十毫伏的瞬態(tài)壓降而這個(gè)壓降恰好被反饋網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成誤差信號(hào)放大環(huán)路就會(huì)在這個(gè)“地噪聲”的驅(qū)動(dòng)下不停地調(diào)整占空比輸出看起來(lái)像高頻抖動(dòng)。正確做法是讓反饋地單獨(dú)飛回芯片的AGND管腳和功率地單點(diǎn)連接。另外陶瓷電容的直流偏壓特性也值得一提。MLCC在額定電壓附近容量可能衰減40%以上100uF的電容實(shí)際工作點(diǎn)可能只有60uF。如果設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)用的標(biāo)稱(chēng)容值LC諧振頻率會(huì)比你預(yù)估的偏高補(bǔ)償零點(diǎn)位置也會(huì)偏。負(fù)載階躍振鈴頻率和理論計(jì)算對(duì)不上時(shí)先查一下電容實(shí)際容值而不是急著調(diào)補(bǔ)償。4.3 穩(wěn)定性問(wèn)題快速排查速查表現(xiàn)象大概率指向優(yōu)先級(jí)動(dòng)作振蕩頻率接近LC諧振頻率LC諧振峰過(guò)高阻尼不足加RC阻尼或磁珠重新掃Bode負(fù)載階躍后振鈴衰減慢相位裕度偏低調(diào)Type III零點(diǎn)壓低穿越頻率輕載或空載振蕩輕載模式切換、電感電流斷續(xù)檢查輕載谷值/打嗝模式或固定PWM高溫下出現(xiàn)振蕩電容ESR/容值隨溫度變化保留相位裕度余量更換溫度特性更好的電容實(shí)測(cè)振蕩頻率遠(yuǎn)高于LC諧振反饋采樣線(xiàn)噪聲或地彈改采樣點(diǎn)、加RC濾波、縮短地線(xiàn)這張表是從多次調(diào)試經(jīng)驗(yàn)里整理出來(lái)的不能完全替代Bode圖但能快速縮小排查范圍。尤其對(duì)LC型濾波電源電容容值隨溫度、偏壓的變化往往就是“常溫正常、高溫振蕩”的元兇。4.4 調(diào)試過(guò)程中我個(gè)人比較堅(jiān)持的幾個(gè)習(xí)慣最后分享幾個(gè)我已經(jīng)踩過(guò)坑、后來(lái)每次都遵守的習(xí)慣。第一任何帶額外LC濾波器的電源原理圖階段就預(yù)留RC阻尼網(wǎng)絡(luò)的位置。能不能用到另說(shuō)板子上有0歐姆位和空位調(diào)試時(shí)補(bǔ)起元件就方便很多。第二環(huán)路分析儀的Bode結(jié)果必須和負(fù)載階躍波形放在同一份報(bào)告里。單看頻域誰(shuí)都會(huì)覺(jué)得自己設(shè)計(jì)得很穩(wěn)定把時(shí)域瞬態(tài)波形和相位裕度對(duì)在一起看才能發(fā)現(xiàn)高Q值系統(tǒng)那種“相位夠了但振鈴很難看”的隱患。第三monkey穩(wěn)定性測(cè)試不是可選項(xiàng)。LC濾波電源的振蕩往往只在特定工作點(diǎn)組合下出現(xiàn)傳統(tǒng)階躍測(cè)試覆蓋不到所有組合。用隨機(jī)負(fù)載序列加隨機(jī)噪聲掃描掛機(jī)跑一個(gè)晚上能讓那些“設(shè)計(jì)時(shí)根本沒(méi)想到”的組合點(diǎn)自己暴露出來(lái)。我的做法是寫(xiě)一個(gè)小腳本讓信號(hào)源生成偽隨機(jī)序列電子負(fù)載每隔50到500毫秒切換一次負(fù)載電流同時(shí)疊加一個(gè)頻率在100Hz到100kHz之間隨機(jī)跳變的正弦擾動(dòng)跑8小時(shí)。如果這個(gè)設(shè)定能通過(guò)我就認(rèn)為這個(gè)LC濾波電源在閉環(huán)穩(wěn)定性方面是真正可靠的而不是只在某個(gè)測(cè)試用例下表現(xiàn)良好。