电源设计基础1【测试、LDO】
1 电源的主要参数
- 电源输入输出：输入的最大值、最小值、经典值；输出的典型电压值、最大电流值；
- 输出纹波 Δ V \Delta V ΔV、噪声 1 F \frac{1}{F} F1；
- 轻载效率，满载效率；
- 功率耗散与温升，工作温度范围；
- 电路占板面积；
- 电源的其他功能：
- Shutdown关机、PowerGood指示；
- 线性调整率：输入电压变化时，输出电压的变化情况；
- 负载调整率：负载调整时，输出电压的波动情况；
- 输入反接保护、输出反灌保护、短路保护、电流限制、EMC/EMI；
- 电压电流温度回读功能、上下点跟踪与时序。
2 电源测试
2.1 效率与静态电流测试
效率测试
效率测试直接影响到系统电源的可靠性，低效率也会给系统带来散热问题。效率的计算公式为：
η
=
P
O
U
T
P
I
N
\eta = \frac{P_{OUT}}{P_{IN}}
η=PINPOUT
P
O
U
T
P_{OUT}
POUT为输出功率，为输出电压和输出电流的乘积；
P
I
N
P_{IN}
PIN为输入功率，为输入电压和输入电流的乘积。
影响效率的因素
电源的损耗通常包括导通损耗、开关损耗、驱动损耗、阻性元件的直流损耗等，电源效率与输入电压和输出负载有关。评估电源时，通常需要在几个不同的输入电压水平下测量效率，以便更好地判断出电路中的损耗究竟在何处。
低输入电压下效率下降，这通常是由于电路中的阻性元件产生的导通损耗造成的。这些损耗之所以会在低输入电压下增加，是因为需要较高的电流来维持相同的输出功率。而高输入电压下的效率下降，通常是由于开关损耗造成的。这些损耗来自寄生电容。在高输入电压下损耗增加，是因为寄生电容会在更高的电压下充放电。
效率分为冷机效率和热机效率。冷机效率为系统刚启动时的电源效率；热机效率为系统满载运行一段时间后的电源效率。一般来说，电源的效率会随着温度增加而降低，因此，热机效率往往更低，设计时更应仔细考虑。
静态电流测试
方法一：将高精度万用表（6位半）串入电源输入端，直接测试输入电流。
方法二：如图1所示，在电源输入端串入一个10K电阻，可以将几
μ
A
\mu A
μA的静态电流电流放大1万倍，转换成电压信号进行测试。但在电源启动阶段，电源是需要一定电流的（毫伏级），仅使用一个大电阻因限流会导致电源启动不成功。这时，可以手动在该电阻上并联一个二极管，在启动阶段，通过二极管给电源供电；等电源启动成功后去掉二极管，这时，可以直接通过普通万用表测得输入大电阻上的电压，从而得到静态电流值。
2.2 输出测试
1、输出电压调整率
源调整率 Line Regulation：指输出电压随输入电压变化情况。
负载调整率 Load Regulation：输出负载变化时，输出电压的变化情况。
温度调整率：在电源工作温度变化范围内，输出电压的变化情况。
测试方法：1、将万用表接入电源输出端，接上输入电压（输入电压为额定值）和输出负载，可以测得空载情况下的输出电压值 V 1 N V_{1N} V1N，增加负载至电源满载状态，可测得满载电压 V 1 F V_{1F} V1F。2、再将输入电压调至最低工作电压，测得此时的空载输出电压 V 2 N V_{2N} V2N和满载输出电压 V 2 F V_{2F} V2F。
2、输出纹波 Output Ripple
测量方法：将示波器调至交流档、20MHz带宽；使用接地环，确保接地环路尽可能地小；测试位置在输出电容的最末端。测试时需要用电子负载改变电源的负载大小，记录不同负载下，电源的纹波、输出电流、开关(对于开关电源)的波形。
3、动态负载测试（电源的瞬态响应） Transient
测试方法：使用电子负载，测试负载电流突然变化时，输出电压的过冲或反过冲值。
具体测试流程：
- 连接：将电子负载和示波器分别并联在电源输出端和地上，注意电源和电子负载的极性。
- 电子负载设置：将电子负载设置为CC模式(定电流)，设置A值(电流最大值)、B值(电流最小值)、上升/下降斜率、频率、占空比等参数。一般来说，将A值选定为电源的额定电流；B值初始设为A值的80%，后续根据实际进行调整；斜率表示了负载电流的变化速率，斜率越高意味着负载变化电流中的有效频率越高，可以按电子负载的最大值来选择；频率和占空比通常选用1KHz、50%作为初始值，后续可依据实际进行调整。
- 示波器设置：设置为交流耦合，垂直档位和采样时间调整至合适值。打开示波器的平均采样模式，可以获得低噪声的瞬态响应测量曲线。
- 观察示波器的电压波形。
4、Rise Time & OverShoot
上电时，上电速度是否过慢或者过快，是否有过冲产生毛刺。
5、Fall Time & UnderShoot
掉电时，掉电速度是否过慢或者过快，是否有过冲产生毛刺。
6、电源时序 Power Sequency
上电时，测试系统各个电源上电顺序是否与设计一致。
7、电源保护功能 Protection
对于一些带有保护功能的芯片，一般还需要测这三项。
过流保护(OCP)
短路保护(SCP)
输出过压保护(OVP)
下面为DC/DC特有：
8、相位抖动 Phase Jitter
测量开关电源SW结的开关波形，理论上在负载不变时，该点的波形应该是稳定的PWM波，但实际波形会有轻微抖动，使用示波器的叠加功能可以看出波形的抖动幅度。
9、MOS Vds Spike
对于外接MOS的开关电源，需要测试两颗MOS管的漏源极电压(
V
D
S
V_{DS}
VDS)波形，观察开关时电压毛刺是否过高，防止超过MOS耐压。
3 LDO设计要点
3.1 LDO电源拓扑
LDO主要是由一个工作在线性区的调整管(晶体管或者MOS管，各有特点)以及一个放大器构成。如图2所示，由采样电阻 R 1 R_1 R1和 R 2 R_2 R2构成分压网络，对输出电压进行采样，通过放大器与内部参考电压 V R E F V_REF VREF比较，再通过驱动调整管，调整输出电压。LDO基于反馈的原理，通过将输入电压、负载变化等对输出电压产生的影响反馈至放大器，实现对输出电压的快速调节。图中的D2是一个反向的稳压二极管。
从电源拓扑可以看出，LDO是通过改变调整管的开关程度，从而实现降压。由于调整管的导通电阻等影响，输入与输出必然会存在一个电压差。输出电流越大，这个导通电阻带来的压降会越大。一般而言，采用MOSFET的LDO，压降会比用晶体管做调整管的LDO要小。同时，输入输出的压降会以热能的形式消耗掉，输入输出电压差越大，输出电流越高，工作温度越高，压降带来的功耗会越大。由此产生了两个我们需要关注的参数：功耗和温度。
目前LDO大多使用MOS管，具体特点需要结合NMOS和PMOS的器件特性来分析。(待补充)
3.2 LDO关键参数
-
最小压降（Dropout Voltage）
在某种输出电流情况下，输入输出的最小电压差。不同的芯片工艺和结构(NMOS和PMOS)，压降不同；工作电流不同，压降不同；通常电流越大，温度越高，压降越大。 -
输入电压
器件耐压要考虑输入电压的最高瞬态值；长输入电缆情况，要考虑浪涌电压；通常按2倍选取耐压值比较安全。 -
输出电流
实际输出电流能力与输入输出电压差有关，输出电压越高输出电流越小；
温度越高输出电流越小；
需要的输出电流越大，散热问题越严重(需考虑散热与芯片封装)；
大电流应用建议使用开关电源。 -
热阻参数
LDO的最大功率损耗 P D P_D PD为最大输入输出电压差与输出电流的乘积，再加上静态功耗。芯片内核的温度 T J T_J TJ可用以下公式计算：
P
D
=
[
V
I
N
(
m
a
x
)
−
V
O
U
T
]
×
I
O
U
T
+
I
Q
×
V
I
N
(
m
a
x
)
T
J
=
T
A
+
P
D
×
θ
J
A
=
T
A
+
P
D
×
(
θ
H
E
A
T
S
I
N
K
+
θ
C
A
S
E
−
H
E
A
T
S
I
N
K
+
θ
J
C
)
P_D = [V_{IN(max)}-V_{OUT}] \times I_{OUT} + I_Q \times V_{IN(max)} \\ T_J = T_A+P_D \times \theta_{JA} = T_A+P_D \times (\theta_{HEATSINK} + \theta_{CASE-HEATSINK} + \theta_{JC})
PD=[VIN(max)−VOUT]×IOUT+IQ×VIN(max)TJ=TA+PD×θJA=TA+PD×(θHEATSINK+θCASE−HEATSINK+θJC)
T
A
T_A
TA：环境温度
T
J
M
A
X
T_{JMAX}
TJMAX：芯片内核正常工作的最高温度
θ
J
A
\theta_{JA}
θJA：芯片内核到芯片外部环境的热阻
θ
H
E
A
T
S
I
N
K
\theta_{HEATSINK}
θHEATSINK：散热器到空间的热阻
θ
C
A
S
E
−
H
E
A
T
S
I
N
K
\theta_{CASE-HEATSINK}
θCASE−HEATSINK：芯片壳体到散热器的热阻
θ
J
C
\theta_{JC}
θJC：芯片内核到外壳的热阻
-
纹波与噪声
LDO需要关注输入到输出的纹波抑制比(PSRR)。PSRR是衡量电路对于输入电源中纹波抑制大小的重要参数，表示为输出纹波和输入纹波的对比数，单位为分贝(dB)，计算公式为：
P S R R = 20 l g R i p p l e i n p u t R i p p l e o u t p u t PSRR = 20lg \dfrac{Ripple_{input}}{Ripple_{output}} PSRR=20lgRippleoutputRippleinput
R i p p l e i n p u t Ripple_{input} Rippleinput：输入端电源纹波的峰峰值；
R i p p l e o u t p u t Ripple_{output} Rippleoutput：输出端电源纹波的峰峰值。 -
瞬态响应（transient load response）
输出电流突变的时候，输出电压的波动范围。瞬态响应和负载电流突变幅度有关；瞬态响应和负载电流的突变斜率有关；瞬态响应差，可能会导致系统偶发性复位。 -
输出电容
1、较大的输出电容ESR会产生较大的损耗功率，同时也会影响电源的滤波效果；
2、过小的ESR会不满足LDO的高频补偿，会导致LDO振荡（LDO负载发生瞬态变化时，利用ESR能立即产生电压波动，从而引起LDO反馈电路动作）。 -
静态电流
在做低功耗、长待机应用时，需要重点考虑。 -
输入电源与输出电源的延时
在电源上电时序控制时考虑。
3.3 主要器件选型
滤波电容
在LDO电源电路中，电容主要起到作为电荷的缓冲池和泄放高频噪声两个作用。可以通过钽电容加陶瓷电容组合，既能提供高频噪声的低阻抗泄放通路，也能在负载变化时提供一定缓冲，还能提供一定ESR满足LDO反馈要求。
注意： 在LDO设计选择电容时，需要注意LDO芯片是否对输出滤波电容的ESR有要求。在某些电源芯片手册(RT9193)中，会要求输出滤波电容ESR高于一定值( 1 m Ω 1m\Omega 1mΩ)，用作LDO的高频补偿。（原理：当LDO电源的负载电流发生瞬时变化时，利用ESR能立即产生电压波动，从而引起LDO电源反馈电路的动作，能让LDO电源针对负载变化作出快速调整））文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-474039.html
分压电阻
LDO的反馈通路有一定偏置电流要求，这要求分压电阻阻值不能太大；分压电阻过小，电阻功耗会比较大。建议依据手册要求选择电阻阻值，同时选用高精度电阻。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-474039.html
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