评估评估版

评估板是非常有用的,如DC-DC转换器这类复杂电路的制造商提供了这类可以直接使用的电路,节省了我们为其设计周边电路的时间和精力。评估板应该是用于帮助我们了解设备能力,但在很多其他用户应用情况下,特定的用户应该有什么预期、在评

估板中寻找什么呢?我们需要知道怎样来正确评估评估板。

我在2013年2月的Quiet Power专栏文章中讨论过LTM4604评估板,其中主要探讨的是不同的测试方法,而不是稳压器本身。而本文我们来讨论LTM4604评估板在评估过程中有哪些值得注意的数据。

LM20143是带电流模式控制环路的频率可调同步降压稳压器。输入电压区间在2.95至5.5V,最大连续输出电流为3A。开关频率在500kHz至1500kHz范围内可调。此评估版的默认输出电压设置在1.2V。该集成电路还包括输出开关设备。图1示出了不带任何线路的该评估版的顶视图。

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图1:LM20143评估板顶视图,由德州仪器(TI)提供。

为了让电路板工作,需要在其输入端子上连接电源,并在启用引脚(板上标记为EN)上输入逻辑高电平。

所有试验和测量(还适用于仿真)的第一条规则是“知道会发生什么”。我们之所以要进行测量是因为需要验证设计或者是因为不确定电路板的工作情况。然而后一种情况也不是忽略这条规则的理由:

我们仍然应该对结果的预期有一定的想法。如果不这样,那么会变成需要非常小心的全面探索,需要

防止意外发生的错误或测量的误差影响正确的判断。在DC-DC转换评估板中,我们能测试其工作中多个不同的方面。有使用DC电压和电流表测量的项目,比如在不同的输入输出电压和负载电流情况下的线路和负载调节和效率。如果测试动态参数则需要使用示波器和瞬态电流源。频率方面,可以使用频率响应分析仪或矢量网络分析仪来测试增益-相位曲线和输出阻抗。这些测量可以通过小信号激发或大信号激发来实现。在图2中我们展示了一个在固定的输入和输出电压情况下直流负载从0A到

2A变化时测得的输出阻抗幅值的例子。图3的是我的地下室实验室的测量装置的照片。

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图2:作为频率和直流负载电流的函数的输出阻抗

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图3:带输入电源和电子负载的测试设置

在这套测试装置中,将LM20143评估板连接到作为输入源的小型AC-DC可调电源。左下方是自制的小型电子负载电路,其能够消耗恒定的电流。跟直流电流成正比的电压显示在手持数字万用表上。还有两根线连接到矢量网络分析仪上。

当我们查看图2得出的数据时,我们必须回答这个问题:结果符合我们的预期吗?哪些测量问题或不符合预期的情况该引起注意?我们可以从知道的开始。在使用评估板的情况下,我们有如图4所示的原理图和BOM。

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图4a:参考文献3中使用的LM20143评估板的原理图。

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图4b:参考文献3中使用的LM20143评估板的材料清单。

根据原理图和BOM可见,评估板上主电感为1.2uH,具有17mOhm直流电阻。输出端有一个1210尺寸的47uF 6.3V X5R陶瓷电容。无论是否知道这些元件的值,我们都能够通过测量输出阻抗来找到其对应的简单模型。图5的图表显示了可以在电子表格中很快做出的曲线拟合的结果。测试值由蓝色曲线表示,其使用的是图2的1A直流负载的数据。红线是简单三电容模型的结果,其使用了三个电容,在0.5MHz左右达到最小阻抗。红线几乎完全被蓝色曲线覆盖。符合的值是C3 = 38uF, R3 = 3.5mOhm, L3 = 3nH。那么这些值合理吗?额定47uF电容值的80%是38uF。考虑到零件的20%初始偏差额定值,加上直流偏置效应的几个百分点和交流偏置效应造成的20-30%的电容降低,38uF在预期范围内。

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图5:在4.5V输入电压,1.2V输出电压和1A直流负载电流的情况下,测得的输出阻抗与三电容模型的相关性。

很多大型零件制造商制造的电容器还有很多种不同的型号可供选择,制造商会提供其典型ESR值。如果没有提供该数据,并且我们怀疑从曲线拟合得出的ESR值是错误的,那么我们可以继续测试并收集更多数据。举个例子,如果要检查与评估板上的电容器完全相同的电容器的参数,我们可以在转换器关闭的时候测量输出阻抗,这种情况下在输出端子之间就只剩下输出电容器。如果我们这样做,则可能需要施加正常工作时的DC偏置电压,以便在正常的DC工作点的情况下测量这个零件。为了消除评估板的潜在影响,我们也可以将电容器焊下放在

夹具中进行测量。最后的办法,我们可以获取相同型号的电容器样本并测量数个来查看其数据的离散程度。

举个例子,图6示出的是评估板在通电和不通电时的组合图。可以看到曲线在输出电容的ESR影响最大的0.5MHz左右是非常一致的,换句话说,这个频段内的阻抗主要是由输出电容所决定的,无论转换器是否工作。从以上的数据我们可以得出结论,假设评估板的PCB从输出电容到测量阻抗的点之间的电阻在1到1.5mOhm之间的话,输出电容的ESR值则是2到2.5mOhm。最后,我们可以通过将零件放入夹具中测量来验证这个结果。

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图6:未通电(绿色曲线)和通电(蓝色曲线)的评估板的输出阻抗。

一旦我们对基本的结果满意,那么我们可以进一步问:我们对这个结果有什么预期,要在其中寻找什么?我们特别希望看到的一个定性特征,特别是当我们想用测得的阻抗来创建用于仿真的简单等效电路时,是在如不同的负载电流、输入电压和环境温度的不同输入参数下的阻抗图一致性。如果计划使用具有不同输出电压设置的相同器件,那么输出电压也应该考虑到。为了了解转换器的小信号阻抗性能的一致性,图7示出了三个不同输入电压下的阻抗表面图。可以看到,主要的变化是沿着频率轴方向,但是在输入电压和负载电流方向也有很小的变化,特别是在大于0.2A直流负载时。

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图7:作为输入电压的函数的阻抗变化表面图。左图:3.5V;中图:4.5V;右图:5.5V直流输入电压。为了尽量简化,未标出与图2中相同的轴标签和标题。

我们可能还想测试很多其他的参数。在频率方面,我们可以检查增益相位图来评估转换器的稳定程度。在时间方面,我们可以测量输出纹波,高频突发噪音和瞬态响应。最后,我们可以将所有数据放入仿真中来查看其相关性。我还会在未来的专栏文章中讨论其中的一些项目,还会讨论一些在检查评估板时没有意义的事情。

所以下次评估评估板时,一定要知道该期待什么。重复检查测试数据总是可以帮助避免失误和错误的结论。PCBDESIGN

Istvan Novak博士是Oracle公司的杰出的工程师,专注于中端服务器的信号和电源完整性设计和新技术开发。 他拥有25项专利,还是“配电网频域特性”的合著者。要联系Istvan,请点击这里