助力通关硬件开发基础面专刊<6/30>--第二章 电源---电源指标及测量方式
2.2 电源指标及测量方式
2.2.1LDO主要的指标
【考点映射】》》》LDO主要考虑哪些指标？
【出现频度】⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
输入电压范围、压差、效率、功耗、线性调整率、负载调整率、瞬态响应、接地（静态）电流、输出电压精度、反向泄漏保护、关断电流、启动时间、限流阈值、工作温度范围、输出噪声、电源抑制比、软启动、最小输入和输出电容。
2.2.2开关电源主要的指标
【考点映射】》》》开关电源主要考虑哪些指标？
【出现频度】⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
输入电压、输出电压、输出内阻、输出电压纹波、电流纹波、开关频率、电感电流、线性调整率、负载调整率、输出电压精度、转换效率、瞬态响应、过电流保护(Over Current Protection,OCP)
由于篇幅原因，这里解释几个不易理解且重要的指标
1、压差
其为输入与输出电压的最小差值。在不影响芯片性能的情况下，压差越小越好，压差大小直接决定LDO的功耗，影响LDO的效率。
2、线性调整率
其用于描述输出电压随输入电压变化的波动，即输入电压在输入范围内变化时，输出电压的变化率。该指标越小越好。
3、负载调整率
其用于描述输出电压随负载变化的波动，即输出负载发生变化时，输出电压的变化率。该指标越小越好。
4、瞬态响应
瞬态响应主要有两个部分
- 输出电压的幅度变化
其用于描述当负载电流发生跃变时，电源输出电压偏离原先输出值的大小。
- 瞬态响应时间
针对某些快速变化的负载，如果电源的瞬态能力比较差的话，即电压波动幅度过大或者时间过长，可能会造成被测试器件关机或者重启，无法正常使用。
5、电源抑制比
其用于描述输出电压受输入电压影响的水平，代表着对输入电源的纹波的抑制能力。该指标越高越好，输出电压受输入电压影响越小。
6、输出电压纹波
输出电压纹波是指输出电源的交流中存在某种分量，其包含电源输入频率和内部开关频率的成分。纹波越小越好。
7、开关频率
开关频率指的是开关电源内部开关器件（2.1.3节中三种拓扑中的D与T器件）的驱动信号的频率，开关频率的影响可以具体见下面的2.2.4节。
8、过电流保护(Over Current Protection,OCP)
其指的是当电流大于预定值时，芯片内部保护装置开始起作用，进而保护电源芯片。
2.2.3纹波测量及如何降低开关电源的纹波
【考点映射】》》》纹波知道怎么测量吗？
》》》示波器的量程为什么设置为10mv/div？
》》》选择衰减比1：1的探头的原因？
》》》带宽限制为什么要打开20M带宽限制？
》》》使用较短地线的原因？
》》》为什么要设置为交流偏置？
》》》如何降低开关电源的纹波
【出现频度】⭐⭐⭐⭐⭐
【难度】★★★
【参考答案】
纹波测量：
1、如果有条件的话，尽可能使用较低本底噪声的示波器和探头
2、设置正确的示波器量程设置。根据实际纹波大小设置，纹波一般为几mv-几十mv；通常量程设置为10mv/div。
如果量程设置远大于纹波的大小，则测量到的纹波数值跟实际上的纹波会有比较大的误差，必须根据纹波的实际大小，选择合适的量程。
3、选择衰减比1:1的探头
10:1的探头会把被测信号衰减10倍再送入示波器，然后示波器再对被测信号进行10倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百MHz，而且扩展了示波器的量程，但是对于小信号的测量不是特别有利。如果被测信号幅度本身就小，再衰减10倍可能就淹没在示波器的底噪声里了，即使再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有改善的，且示波器的底噪会被放大10倍，进而导致测量的纹波不准确。所以对于电源纹波噪声的测量应该尽量使用小衰减比的探头。
4、选择合适的示波器带宽（20M）
很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的，设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声，防止高频噪声的干扰。很多电源纹波噪声测试场合使用20MHz的带宽限制，也有些芯片会要求测到80MHz或200MHz。
5、较短的地线连接。
长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声，因此需要使用尽可能短的地线连接。环路面积大，耦合更多的噪声。使用接地线圈测量，减少了环路面积，减少干扰，提高测量精度。
6、使用带有直流偏置的探头
可以将直流电压隔离，方便信号测量。因为纹波是叠加在直流信号上的，相较于直流电压，其数值较小。所以需要将垂直刻度调小，并调节垂直偏移才可以看到纹波信号。此外由于示波器的垂直偏移范围可调范围是有限制的，所以当直流信号过大时可能会导致无法看到纹波。所以选择交流耦合可以只显示交流纹波信号，方便观测波形。
PS：测量隔离电源时，需要保证示波器的电源地与被测电源地隔离，避免引入共模干扰。
降低开关电源的纹波：
从LC滤波的角度出发，有四条措施：1、选择合适电感L 2、选择合适的输出电容C （根据开关电源的相关计算，电感电流纹波大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容成反比。因此选择合适电感和输出电容可以减小纹波大小）
3、增加一级滤波电路（乃至多级滤波电路，对纹波进行滤波，降低纹波） 4、提高开关频率，方便滤波。（开关损耗上升，一般比较少用）
5、在开关电源后面，再接一个LDO电源，其原理在于利用LDO的高电源抑制比。
6、在二极管上并电容C或RC，用来吸收二极管高速导通截止时产生的高频振荡。
7、在二极管后接EMI滤波
2.2.4开关电源中的开关频率的影响
【考点映射】》》》开关频率提高，有什么影响
【出现频度】⭐⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
1、开关频率越高，越容易滤波，输出纹波可以进一步很小。
2、开关频率越高，开关管单位时间内损耗越大，电源效率越低。
3、开关频率越高，空间辐射越大，电磁辐射越大，屏蔽要求越高。
4、开关频率越高，电感电容尺寸可以进一步降低。
(电感的感抗为jwL，当频率上升时，而所要求电感感抗不变时，此时可以选用较小的电感值。)
(电容的容抗为1/jwC，当频率上升时，而所要求电容容抗不变时，此时可以选用较小的电容值。)
因此，开关频率越高，电感电容尺寸可以进一步降低。
2.2.5开关电源的损耗分析
【考点映射】》》》开关电源主要损耗来源
》》》如何降低开关电源的损耗
》》》如何提高开关电源的效率
【出现频度】⭐⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
1、与功率开关有关的损耗。功率开关指的是2.1.3节开关电源的三种拓扑中的T和D，是开关电源内部最主要的损耗源。其损耗可分为：导通损耗和开关损耗。
导通损耗是指当开关器件已被导通，且驱动开关的波形已经稳定以后，开关器件处于导通状态时的损耗（开关器件存在阻抗，会消耗能量）。
开关损耗则是指在开关器件被驱动时，驱动开关的波形处于过渡过程时（驱动开关的波形不是理想的方波，存在过渡状态），开关器件的损耗。
2、电感功耗。包括线圈损耗和磁芯损耗两个基本因素，线圈损耗归结于线圈的直流电阻（DCR），磁芯损耗归结于电感的磁特性。3、输入电容和输出电容的损耗。这些损耗主要表现在三个方面：等效串联电阻损耗、漏电流损耗和电介质损耗。
提高效率基于上述讨论，通过哪些途径可以降低电源的开关损耗呢？
直接途径是：选择低导通电阻Ron、可快速切换的MOSFET；选择低导通压降VF、可快速恢复的二极管。
电源架构对效率的提高SMPS的控制架构是影响开关电源效率的关键因素之一。采用低导通电阻的MOSFET取代了功耗较大的开关二极管，可有效改善效率指标。
另一种重要的控制架构是针对轻载工作或较宽的负载范围设计的，即跳脉冲模式，也称为脉冲频率调制（PFM）。与单纯的PWM开关操作（在重载和轻载时均采用固定的开关频率）不同，跳脉冲模式下转换器工作在跳跃的开关周期，可以节省不必要的开关操作，进而提高效率。
另外，如果把功率开关集成到IC内部时，使电路更加紧凑，由于降低了线路损耗和寄生效应，可以在一定程度上提高效率。
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