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图40
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实用上，只要在负载侧增加一只和计算所得的电容值和电阻值具有相当的电容量和ESR的电解电容或聚合物电容即可将PCB布局所导致的振铃信号抑制掉。图40所示的快速阶跃负载测试结果就是在使用了远程检测和抑制网络以后得到的。
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7.
实用提示汇总
检查输出电容
在很多DC/DC转换器中，输出电容都在环路稳定性上扮演着很重要的角色。当使用MLCC电容时，你总是应该考虑到直流偏置和交流纹波对电容量的影响。当电容量改变以后，必须对环路稳定性进行复查。
足够快的负载阶跃速度
确保负载发生跳变的速度要足够快，以便在足够宽的频带内对环路造成冲击，负载阶跃的上升时间应该远小于1/fC。
负载跳变的幅度对于转换器问题的检查不是很重要，但最好是使用比较小的幅度（例如为最大负载电流的20%~30%），而且要在整个负载范围内通过改变负载基数进行测试，这样就可以在全负载范围内对转换器的表现进行检查。
确保稳定的电源供应
当负载阶跃响应波形上出现振铃信号时，需要通过检查分辨该信号是由于转换器自身或是电源供应的振铃信号引起的。当要进行快速负载阶跃测试时，确保在转换器输入端去藕电容上并联一只电解电容。
选取正确的电感量
选用太大或太小的电感都会引发问题。在低占空比应用中，电感电流纹波应该基于IC额定电流的一定比例进行取值。在高占空比应用中，应该考虑到IC内部斜坡补偿信号的斜率来选择电感电流的下降斜率。IC规格书中根据不同输出电压VOUT推荐的电感量应该被当作设计的指引来使用。
降低转换器输出端到负载之间的阻抗
在负载表现出很快的瞬变过程的应用中，DC/DC转换器和负载的位置应该尽可能地靠近，其间的路径应该尽可能地宽，并且确保地电流回路的畅通。遇到负载调整问题时要使用远测检测方式解决问题，这种情况下要直接在转换器输出端对转换器的稳定性进行测试。假如此时发现转换器存在稳定性问题，可在近处引入交流反馈信号。面对由于布局而导致的振铃问题，可以加入RC平滑电路或聚合物电容予以抑制。
占空比极限与负载跳变的时机
快速的负载瞬变可导致转换器占空比的极大变化，在某些情况下可使转换器触及其占空比的最大或最小限制。负载阶跃出现在转换器切换周期中的不同位置也会对其响应结果造成影响。
让我们来看看下面这个例子，它使用了RT7294CGJ6F，这是一款低成本的18V/2.5A ACOT Buck器件，封装为SOT-23-6，电路的目标是生成一个1V的输出为MCU内核供电。
图 41
ACOT转换器具有固定的导通时间和可变的截止时间，能对突然发生的负载变化做出很快的回应。这种转换器的最大占空比受导通时间和转换器可能达到的最短截止时间的关系的限制；它能达成的最低占空比则可以低到0%。当从高到低的负载阶跃出现时，ACOT转换器可使下桥MOSFET持续处于导通状态以便让电感电流尽快降下来，在此期间，占空比就暂时处于0%的状态下。图42就是这一表现的展示。
图 42
由这种负载的由高到低的变化带来的过冲称为输出电压的隆起。在此例中可以看到，输出电压隆起的幅度不是恒定的。假如负载的阶跃发生在转换器的截止时间内，此时电感电流已经降下来了，转换器只需继续保持下桥导通状态以继续电流的下降过程。但假如负载的阶跃恰好发生在转换器开始一次新的导通过程的时刻，我们就必须等待导通过程的结束，然后才会开始电感电流的下降过程，而这就将造成比较高的输出电压隆起。在遇到重复的负载阶跃时，这种可见的不同电压隆起幅度不应当被错误地看作是转换器处于不稳定状态的标志。
PSM转换器和强制PWM转换器面对负载阶跃时的不同表现
某些DC/DC转换器通过采用PSM工作模式提升轻载情形下的转换效率。PSM是Pulse Skipping Mode的首字母缩写，有时又被称为PFM（Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制）或DCM（Discontinuous Conduction Mode，非连续导通模式）。这些器件在下桥导通期间出现电感电流变负时会关闭下桥，在负载电流很低时会降低开关切换频率。当一个转换器工作在PSM模式下时，其平均输出电压会比其工作在CCM(Continuous Conduction Mode，连续导通模式)模式下时略高。因此，当阶跃负载使其从PSM模式转入CCM时，转换器的负载调节性能会变得比较差。另外，重载到轻载的转换会导致比较长时间的电压隆起，因为PSM转换器不会吸入任何电流。这些结论性的东西可用下面的例子予以展现，例子中涉及到的RT7272A和RT7272B都是36V/3A/500kHz的工业级Buck转换器，RT7272A是以强制PWM模式工作的器件，RT7272B则是以PSM模式工作的器件，我们把它们用在24V转3.3V/2A的应用中进行测试，应用电路图见图43。
图 43
PSM模式和强制PWM模式器件在负载阶跃作用下的表现上的不同表现在图44中 ：
图 44
对于PSM器件来说，当阶跃负载使其从PSM模式切入CCM模式时，它会表现出一个所谓的PSM偏差，此偏差通常大约为VOUT的1%。
对于强制PWM器件来说，无论负载条件如何，它总是处于CCM模式。在轻载状态下，其电感电流会出现负值。
当负载阶跃开始于电感电流最小值刚好高于0的中等负载状态下时，由负载阶跃所导致的反应在PSM器件中和强制PWM器件中的表现是一样的，这是因为转换器总是处于CCM模式下。
假如应用需要在全负载范围内都具有很好的负载调节性能和很好的瞬态响应特性，强制PWM模式的器件就是唯一的选择。那些需要很好的轻载效率的应用就应该选择PSM模式的器件。立锜科技的Buck转换器常常容许PSM器件和强制PWM器件拥有引脚兼容的封装，有些器件则具有模式选择端子可将器件设定为PSM模式或强制PWM模式。
8.
容易自制的快速负载瞬变测试工具
大部分电子负载都能生成负载阶跃，但通常由它们所生成的负载阶跃的变化速度dI/dt是很有限的，这部分是由于电子负载内部电路的限制，但也是因为电子负载和实际应用电路之间的长传输线存在电感的缘故。为了生成快速负载阶跃，一个简单的自制工具可供使用，它是由一只MOSFET开关对负载电阻进行通断控制形成的。
图45显示了这个快速瞬变工具的基本构成 ：一个受脉冲发生器控制其通/断的MOSFET开关。MOSFET开关的切换速度可用其栅极的可选的RC网络进行调节；MOSFET漏极连接的电阻R2可根据需要的动态负载调节幅度进行选择；电阻R1用于设定负载阶跃的静态基点。负载电流的阶跃变化可通过示波器的电流探头进行测量，对转换器输出电压的测量则需要在输出电容或是负载点上进行。
图 45
图46显示了这样一个实用的快速负载瞬变生成工具的原理图：
图46 ：快速负载瞬变生成工具的原理图
IC1是一款电压控制的PWM信号发生器，其MOD端的电压确定了PWM信号的占空比，DIV端的电压则确定了PWM信号的频率范围，连接在SET端的电阻值确定了精确的频率，OUT端子具有足够的驱动能力可以足够快的上升/下降速度驱动小型的MOSFET开关。占空比通常设定在比较低的5%左右的水平上，这样可使负载电阻和MOSFET在吸取大电流的情况下还能不超过其功率容限。一个时长大约150µs的脉冲就已足够让我们看到完整的电压隆起过程和绝大多数DC/DC转换器的电压恢复过程了，所以，PWM信号的频率可被设定为330Hz。要生成这个频率，LTC6992的规格书推荐的内部分频器是1024，这可通过将R5和R6//R7的比例设定为0.344获得。
最后的频率可以通过R3 + R4//P1进行设定，其计算公式为
，由此决定的结果是316Hz。
将MOD端电压设定为0.1VSET~0.9VSET可给出0%~100%的占空比。根据给定的R3、R4和P1的值，调节P1可得到的占空比范围是0%~35%。
LTC6992 OUT端子具有很快的响应速度和±20mA的驱动能力，可在100ns内使Q1 MOSFET Si2312DS开通或关断。大多数应用并不需要这么快的速度，这就意味着可通过D1、D2、R8、R9和C3对Q1的开/关速度进行调节。依据图中给定的值，上升/下降时间约为400ns，这已足够查看大多数DC/DC转换器的稳定性问题或PCB布局问题使用。对于给定的Si2312DS来说，通过它的脉冲电流可达8A。更高的电流也是可能的，但在计算负载电阻的时候需要考虑到MOSFET的Rdson对电压降的影响。当要用于低压应用中时，可以选择具有更低Rdson和更小QG的MOSFET。
使用锂离子电池来为此电路供电是一种很方便的选择，这可使得整个电路是完全孤立的，可以避免接地设备带来的地弹问题。此电路的设计是电压不敏感的，电池电压的变化不会影响到频率和占空比的设定，整个电路的电流消耗约为0.4mA，电池使用时间可以很长。
图47显示了此电路的一种可能的PCB布局 ：
图47 ：快速负载瞬变工具的PCB布局
确保负载和MOSFET之间路径的低阻抗是很重要的。大面积的铜箔被保留着，以便可以焊接更多的并联负载电阻。静态负载电阻可以是固定的，也可以是可变的。
下面是元件清单：
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Item
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Value
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Type or Part number
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R1
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1Ω ~ 25Ω fixed or variable power resistor
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Leaded 10W or Rheostat variable 25W
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R2
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SMD power resistors 1Ω ~ 10Ω 0.25W/0.75W/2W
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1206 0.25W / 1210 0.75W / 2512 2W
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R3
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100k 1% 0.1W
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0603
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R4
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75k 1% 0.1W
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0603
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R5
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10k 1% 0.1W
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0603
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R6
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6.8k 1% 0.1W
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0603
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R7
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22k 1% 0.1W
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0603
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R8
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68R 1% 0.1W
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0603
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R9
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470R 1% 0.1W
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0603
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R10
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3.3R 1% 0.1W
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0603
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P1
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200K TRIMMER, 5 TURN SMD
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Bourns 3214W-1-204E
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C1
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100µF/10V 6.3X5.2 electrolytic capacitor SMD
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Panasonic MCESL10V107M6.3X5.2
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C2
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22µF/16V 1206 X5R
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Murata GRM31CR61C226KE15L
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C3
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1nF/50V X7R
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0603
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D1, D2
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200V/200mA fast diode SOD323
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NXP BAS321
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SW
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Jumper header + jumper 1ROW, 2.54MM
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MOLEX 90120-0126
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Q1
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20V / 33mΩ Rdson N-MOSFET SOT23-3
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Vishay Si2312DS
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IC1
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Voltage controlled PWM generator, SOT-23-6
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Linear LTC6992CS6-1#TRMPBF
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Battery
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3.7V nom. 1250mAh Li-Ion battery
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Varta PLF503759.06.8080/2528F or similar
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因为电路很简单，完全有可能自己用手工就在覆铜板上把电路雕刻出来了。下面的图片就是制作此工具需要用到的全部原材料和手工雕刻出来的PCB :
图 48
组装完成以后的工具看起来是这个样子：
图 49
用电流探头套住负载瞬变工具的引线对负载阶跃电流进行测量是很方便的。由于电流探头是隔离式的，其好处是不会在测量系统中引入地回路，但它却可能在负载阶跃电路中引入额外的电感，这在上升/下降速度非常快（~100ns）的测试中就可能改变阶跃电流的波形，而且也不是所有的电流探头都有足够的带宽可用于测量很快的上升和下降速度。
图50显示了一种可能的通过电流检测电阻测量电流的方法。
图 50
假如示波器各通道之间是共地的，那就绝对需要将检测电阻的地和电压探头的地连接在同一个接地点上。即便是极小的阻抗存在于这些接地点之间，也会在电流和电压探头的接地点之间形成不同的电位差，并在示波器上对电压波形构成影响，这可很容易地通过连接/断开示波器的电流检测连接器并且分别记录下相应的电压波形进行测试。假如电压波形有改变，那就存在地回路上的电流。
图51：通过电流检测电阻进行电流测量
图51显示了用于电流检测的工具和上升/下降速度很快时的测量方法，最好是将示波器的电流检测端子设定为50Ω以避免由于电缆上的反射信号可能导致的振铃过程，要注意这会轻微地降低电流检测的精度。
图52 ：使用电流检测电阻测量超快速负载阶跃的结果
9. 立锜负载瞬态测试工具
立锜已经按照第8章所述的DIY工具的原理开发了独特的负载瞬态测试工具，下图是该工具的图片，其中还有一些简单的说明。
图53： 立锜负载瞬态测试工具及其简单说明
此工具使用一片MCU作为核心，它以一定的占空比使MOSFET开关接通和断开。借助一些跳线器，7种不同的负载电阻可供用户选用。有一只可调的10Ω 功率电阻作为静态负载一直存在着。该工具能够生成非常快的负载阶跃脉冲（大约500ns的上升/下降时间），脉冲重复周期和占空比均可通过按键进行调节。
工具使用电池作为电源，因而很容易就可以和你系统中的任何一个电压转换器配合工作。
关于该工具的更多信息，请参阅http://www.richtek.com/Design
Support/Reference Design/RD0004
10.
结论
使用快速负载阶跃对DC/DC转换器进行测试以判定其环路稳定性问题、输入电源的稳定性问题、斜坡补偿问题、负载调整特性问题和PCB布局问题是快速而方便的方法。要想寻找到问题的根源，对转换器的工作方式有基本的了解是必须的，遵从某些基本的规则可使快速负载瞬变测试所凸显出来的问题变得更容易被理解。你自己就可以手工制作出用于进行快速负载瞬变测试的小工具，你也可以使用立锜为此目的而特别开发的专用工具，它们都非常方便携带，适用于绝大多数DC/DC转换器的快速检测中。
参考文献：
[1] Christophe P. Basso, “Switch-Mode Power Supplies Spice Simulations and Practical Designs”, McGraw_Hill, 1st edition 2008, 2nd edition 2014