使用 E5061B 低频－射频网络分析仪 测量直流－直流转换器和 PDN
应用指南
序言
开关式直流－直流 (DC-DC) 转换器/电压调节器在各个行业的电子设备中使用得非常广泛。近年来，计算机设备推动了 DC-DC 转换器技术向前发展。现在，DC-DC 转换器在保证电路板供电电路 (PDN) 中的电源完整性方面发挥着重要作用 (无论负载如何变化，都可以提供稳定的 Vdd 电压)。PDN 通常包括裸露印刷电路 (PC) 板电源布线层、DC-DC 转换器和无源 PDN 器件 (例如在电源布线层上的旁路电容)。计算机设备 PDN 的一个最重要发展趋势就是，其负载器件 (例如 MPU、FPGA、ASIC) 的工作速度越来越快，而工作电压越来越低。此外，这些大规模集成电路 (LSI) 需要使用不同的电压电平 (3.3 V、2.5V、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系统中更是如此。为使 DC-DC 转换器能对高速大规模集成电路的负载变化快速做出响应，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很重要，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的负载电流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 转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重要的。
另外，PDN 设计者还需要在超出 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。实际上对无源 PDN 器件，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配备了选件 005 阻抗分析功能的 E5061B-3L5 低频-射频网络分析仪 (5 Hz 至 3 GHz)来测量 DC-DC 转换器和相关的无源 PDN 元器件的频域特征。本文的第一部分介绍了如何测量 DC-DC 转换器的反馈环路特征。第二部分介绍了 DC-DC 转换器和无源 PDN 元器件的阻抗测量。
测量 DC-DC 转换器的反馈环路特征
DC-DC 转换器的基本工作原理
首先，我们快速概括一下 DC-DC 转换器的基本工作原理。我们以一个简单的、采用电压控制模式的非隔离单相降压转换器为例。图 2 的原理图和时序图显示了 DC-DC 降压转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，将电量传送到输出电容器 Cout 和负载，此时 Vout 上升。当 Vout 达到某一电压电平时，开关就会断开，刚才利用电流 Ion 给 L 充入的电量会生成电流 Ioff，并将电量传送到负载，同时给 Cout 所充的电量也会传送到负载，此时 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。输出电压电平由脉冲占空比决定。
时间 Ton 越长，电路的输出电压越高。时间 Ton 越短，电路的输出电压越低。当有一个高于某一特定电平的电流持续流经电感 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，同时监视输出电压并调整脉冲占空比，这样无论负载如何变化，都能得到一个稳定的输出 DC 电压。
图 3 是 DC-DC 转换器的详细原理图示例。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，得出与这两个电压之差成比例的输出电压。脉宽调制器 (PWM) 提供占空比由误差放大器的输出电压决定的脉冲，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。
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