安捷伦科技公司
防火墙终结者使用E5061B低频-射频网络分析仪测量直流-直流变换器和PDN器件 应用指南
介绍
3DMark 06
开关式DC-DC 变换器/电压调节器是广泛应用于各行业电子设备中的器件。近年来，高性能计算机设备推动了DC-DC 变换器技术迅速向前发展。现在，DC-DC 变换器在保正PDN (电路板供电电路 — Power Distritution Network) 的电源完整性方面发挥着重要作用 — 无论负载状态发生怎样的变化，PDN 都可以提供非常稳定的Vdd 电压。PDN 通常包括DC-DC 变换器、印制电路板电源布线层和无源PDN 器件 (例如在电源布线层上的旁路电容等)。现在，计算机设备PDN 的一个重要发展趋势就是其负载器件 — MPU 、FPGA 、DSP 和DDR 存储器等，的工作速度越来越快，而工作电压也越来越低。此外，这些大规模集成电路 (LSI)还要求使用各种不同的电压值来供电，例如3.3 V 、2.5 V 、1.5 V 、1.2 V 等。为了适应这种趋势，业界开始非常普遍地在电子设备中采用分布式供电的
设计，其中低电压DC-DC 变换器总是放置在与负载器件非常接近的位置— 即所谓负载点 (Point-of-Load) 的附近，以提高高性能计算机系统供电的完整性，这种情况在服务器和网络基础设施设备统中更是如此。
为使DC-DC 变换器能对高速大规模集成电路的负载变化作出快速响应，在对PDN 进行设计时，充分考虑其性能的优化比以往任何时候都显得重要，因为在实际应用中往往需要在反馈环路的响应速度和工作的稳定性之间取得很好的平衡。为了最大程度地降低由于较大负载电流的变化造成的供电电压的瞬时波动，确保供电电 压稳定在非常小的波动范围内，验证DC-DC 变换器的输出阻抗是否被限制在毫欧量级的极低范围内是非常必要的。另外，PDN 设计人员还需要在超出DC-DC 变换器环路带宽的频率范围 — 这是无源PDN 器件抑制电源和接地布线层之间的阻抗的频率范围，上
对无源PDN 器件，例如旁路电容的阻抗进行测量，精确地了解每个无源PDN 器件的特征性能有助于在使用仿真工具设计PDN 时提高设计质量。另外，在把无源器件都安装到PDN 上之后再测量出PCB 板的整个PDN 阻抗，我们就可以验证产品的最终阻抗是不是理想地达到了在仿真中所期望的值。通常情况下，需要进行测量的频率可以高达几百兆赫的范围，这是抑制已经在电路板上装有无源器件的PDN 的阻抗的上限频率。
本应用指南介绍了如何使用E5061B (目前只有而且必须安装选件3L5，测量频率范围从5 Hz 到3 GHz ) 低频 - 射频网络分析仪在频域内测量DC-DC 变换器和无源PDN 元器件的特征参数。第一部分介绍如何测量DC-DC 变换器反馈环路的特征参数，第二部分介绍DC-DC 变换器和无源PDN 元器件的阻抗测量。
图1. 电路板供电电路 (PDN) 示意图
DC-DC 变换器(Brick 变换器)DC-DC 变换器(POL/VRM)
可比产品成本降低率
旁路电容
病毒抗体电源布线层的电感和电容
负载器件 (MPU 、FPGA 、DSP 、DRAM 等)芯片上的电感和电容
电路板级
芯片级
ESR ESL
Vdd
目录
第1部分: 测量DC-DC变换器反馈环路的特征魔法米路米路
DC-DC变换器的基本工作原理 (4)
测量DC-DC变换器的反馈环路特征 (6)
环路增益 (6)
相位裕量和增益裕量 (7)
使用网络分析仪测量环路增益的方法 (8)
环路增益测量配置示例 (9)
反馈环路特征的测量示例 (10)
激励注入信号的功率 (10)
在分段扫描测量时设置可变的注入激励 (11)
如何选择激励施加电路的变压器 (12)
gsr
第2部分: 测量DC-DC变换器和无源PDN元器件的阻抗
测量DC-DC变换器的输出阻抗 (13)
电流-电压检测法 (14)
电流-电压检测法的配置示例 (15)
并联-直通(Shunt-thru)测量法 (16)
测试电缆接地环路导致的测量误差 (16)
传统解决方案-1 (17)
传统解决方案-2 (18)
E5061B-3L5采用的解决方案 (19)
对短路器件进行测量的实验 (20)
并联-直通测量法的配置示例 (22)
DC-DC变换器输出阻抗的测量示例 (24)
测量无源PDN器件的阻抗
使用网络分析仪测量阻抗的方法 (26)
并联-直通测量法的配置示例 (28)
在直流电压偏置的条件下测量MLCC (29)
MLCC测量示例 (30)
对装配了旁路电容器的PDN进行测量 (32)
测量PCB母板的例子 (33)
第1部分: 测量DC-DC 变换器反馈环路的特征
DC-DC 变换器的基本工作原理
首先，我们以一个简单的、采用电压控制模式的非隔离单相Buck 变换器为例，简要介绍一下DC-DC 变换器的基本工作原理。
图2的原理图和时序图显示了Buck DC-DC 变换器的基本工作原理。MOSFET 开关把直流输入电压Vin 变成脉冲电压，开关的通/断状态由反馈环路来控制。这个脉冲电压再通过电路输出级的LC 滤波器的充电和放电过程变为直流输出电压Vout 。
当开关接通时，电流Ion 经过电感器L ，将能量传送到输出电容器Cout 和负载上，这时电压Vout 会上升。
当电压Vout 的值上升达到某一电平时，开关就会断开，刚才由电流Ion 给L 充入的能量会产生电流Ioff ，并将能量传送给负载，同时刚才给电容Cout 充的能量也会传送给负载，这时电压Vout 就会下降。当Vout 下降到某一电平时，开关又会接通，这样Vout 就会再次上升。输出电压的电平由脉冲占空比决定。
时间Ton 的持续时间越长，电路的输出电压就越高; 时间Ton 的持续时间越短，电路的输出电压越低。当高于某一特定值的电流持续流过电感 L 时，平均输出电压可按照以下公式计算: Vout = Ton/(Ton + Toff) x Vin 。重复进行这种通/断操作，同时对输出电压进行检测并调整脉冲的占空比，这样无论负载如何变化，都能得到一个稳定的直流输出电压。
图2. DC-DC 变换器的基本工作原理
接通
负载
断开
时间
接通断开接通断开接通断开
负载
图3是DC-DC 变换器的详细原理图。由R1和R2所分担的输出电压被反馈到误差放大器，误差放大器将反馈电压与稳定的参考电压Vref 进行比较，输出与这两个电压之差成比例的输出电压。脉宽调制器 (PWM) 提供的脉冲其占空比由误差放大器的输出电压决定，此脉冲可以接通或断开MOSFET 开关。
当反馈电压低于Vref 时，反馈系统会延长周期Ton 以提高输出电压。当反馈电压高于Vref 时，反馈系统会缩短周期Ton 以降低输出电压。这样就能获得一个稳定的DC 输出电压。
C1、C2、C3、R3、R4以及R1和R2等元器件共同调节误差放大器的增益
和相位时延，从而提高反馈环路的稳定度 (反馈补偿)。
图3. DC-DC 变换器原理图
DC/DC 变换器集成电路误差放大器
电路输出级LC 滤波器
负载
脉宽调制器
测量DC-DC变换器的反馈环路特征
本节将介绍如何使用E5061B-3L5 LF-RF网络分析仪来测量反馈环路的特性。在开始介绍测量方法之前，我们先快速浏览一下反馈环路控制的基础知识。
环路增益
如图4所示，DC-DC变换器可看作是一个负反馈控制系统，输入信号为Vref，输出信号为Vout。|G|称为开环增益，|Vout/Vref|=|G/(1+GH)|称为闭环增益，|GH|称为环路增益。在此应注意的是，循环传递函数GH x(-1)= -GH，负号是指误差放大器的反相运算。传递函数G对应的是从误差放大器到电路输出级LC滤波器的总传递函数，传递函数H对应的是由电阻R1和R2组成的电阻分压电路的传递函数。电阻R1和R2同时还和R3、C1、C2、C3及R4一起决定误差放大器的增益和相位时延。
这个负反馈环路控制系统能够对
变化的输出电压Vout进行调节，使之
接近于Vref/H。环路增益|GH|越大，
电压调节能力越强。随着电压发生变
化的频率的增加，环路增益将会降低;
当环路增益小于1时，这个负反馈系
统将不能起到调节的作用。
使环路增益|GH|等于1(即0dB)
的频率称为交叉频率，这个频率就是
环路的带宽，如图5所示。交叉频率
越高，反馈环路就能够对更快频率发
生变化的电压进行调节，对负载变化
的响应速度也越快。
图4. 负反馈环路控制系统
误差放大器
开关
电路输出级
LC滤波器
脉宽
调制器
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议