应用笔记

这次我们考虑一种新的差分输入示波器PicoScope 4444如何帮助调试一个典型的DC / DC转换器，该转换器旨在为物联网（IoT）应用提供电源。 最近的一篇文章“真正的差分范围输入如何提高探测安全性和精度”解释了差分探测的好处，即允许工程师安全地探测传统的单端示波器和探头无法获得的重要系统信号。 这种好处是通过消除接地返回路径而产生的，接地返回路径不仅可以破坏浮动信号，还可以导致系统获得足够的电流来破坏电路的某些部分，并且可能会伤害任何不幸的人，使其陷入困境！正如我们将展示的那样，除了安全优势之外，差分探测还可以让工程师深入了解当代低压电路。

推出多功能物联网电池调节器
Intersil（对面）的简单电池调节器电路说明了这一点，并为本文提供了一个有趣的测试案例。 乍一看，电感L1是接地还是浮动并不明显（图1b）。电感电流由开关设置决定，而开关设置又由V IN，V OUT和输出负载的绝对电平决定。

图1 - PFM模式电池调节器IC。（a）外部电路（b）电感器引脚的内部开关。

ISL9120介绍
ISL9120是一款迟滞的多模式电池电压开关稳压器，可在降压，升压或直通模式下工作。随着输入电压下降，器件交换模式以维持稳定，从而挤压给定电池的最大工作寿命。该操作范围适用于许多现代电池化学品，范围在1.8至5.5 V之间。该器件可将高达800 mA的电流驱动至负载，并且需要最少数量的外部元件，其中小功率电感和输出电容是关键。

切换基础知识 切换台的主要优点是节能转换。镜片下方的部分声称标题效率为98％，并且在所有条件下都能保持85％以上（见图2）。实现这一壮举的原因在于滞后PFM（脉冲频率调制）切换方法，即使在轻负载时也能保持效率。 开关稳压器使用功率电感器作为其主要的能量存储元件。操作依赖于将“桶”的能量从输入端传输到电路的输出端。每个开关周期传递的能量是开关速率和电感器尺寸的函数。在被检查的电路中，一个微小的表面贴装电感器可以完成这项工作。

图2 - ISL9120的转换效率（Courtesy Intersil）

关于测试设置
上面的双图显示左侧的测试设置和右侧的Intersil评估板。请注意，位于TP2和TP3（PCB中上部）的电感器上的示波器探头利用“引脚和发条盒”探测方法来最小化探头极之间的引线长度差异 - 这是减少振铃的重要一步。

图3 - ISL9120评估板的测试设置和特写显示电感探测点（TP2和TP3）

此设置包括表中列出的标准实验室设备，尽管可能并非每个人都可以使用I-prober的当前感知人才。该电流探头采用新型磁传感器，可以直接测量电流，无需断开电路并引入检测电阻。这非常有用，因为Intersil板不包含用于低欧姆检测电阻的电桥，因此使电流测量比它需要的更复杂。

让我们开始探索 四个内部IC电源开关环绕电感，确定电流（图1b）。考虑到所有开关组合，很难解除其间可能存在的瞬时电压。相反的走线（图4）覆盖了三个重要的电路信号，展示了这种电路典型的复杂开关波形： 红色：输出电压纹波（交流耦合） 绿色：电感差分电压（直流耦合） 蓝色：电感电流 波形阐明了电路操作。绿色迹线显示电感上出现的差分电压。在这里，对于10个脉冲，电压摆幅在0 V附近有限的3.4 V范围内 - 这显然由固定的3.4 V输出设定。在第十一个脉冲上，摆动延伸到大约4.4 V的峰值，然后迅速下降到零（重振铃）。当达到ISL9120的迟滞电压限制时，会发生最后一次脉冲。 对于每个电感器电压脉冲，电感器电流遵循线性斜坡。当能量从电感器传输到电容器（红色迹线）时，每个电流脉冲“增长”输出电容器（图1a中的C2）上的正向电压斜坡。 当V OUT达到稳压器的上滞后阈值时，PFM脉冲停止。设备数据表明这比标称输出高1.5％。在固定的3.4 V输出端，这意味着它高出约50 mV（即3.45 V）。当开关停止时，V OUT衰减回标称值，此时PFM可以重新开始。 循环切换在固定的3.4 V DC上产生特征锯齿波输出纹波波形。红色迹线显示纹波的幅度约为±20 mV - 稍好于上面预测的50 mV。在此工作点，切换间隔为6.36μs（157 kHz）。 最后，请注意纹波波形正向边缘的微小扰动。电感器两端的快速斩波电压会产生电噪声。很明显，这是这种输出噪声的起源。红色和绿色迹线之间存在明显的时间相关性。观察蓝色（电感器电流）迹线进一步增加了这一结论的重要性。 当差分电压达到零伏时，电感电压波形会有明显的振铃声。显然，用于进行该测量的无源探头正在加载在其自身和电感器之间形成的槽。考虑到电感是微小的1μH，这是可以预期的。

图5 - 降压操作（Vin = 5 V，Vout = 3.4 V，Iout = 500 mA）

在低得多的负载下会发生什么? 图中的工作条件保持不变（图6），但负载电流减少20倍至25 mA。 不出所料，我们看到具有相似信号幅度的可比电感器行为。也就是说，在轻负载条件下，电感电流没有直流偏移分量。但是，随着负载下降，PFM突发间隔已延长。这是由所需的负载能量显着降低引起的。 现在只发生六个PFM脉冲，但它们之间的关闭时间明显延长。这种差异反映在较慢的输出纹波率 - 已经翻倍至13.7μs（73 kHz）。请注意，纹波幅度减半，仅为±13 mV。

图6 - 降压操作（Vin = 5 V，Vout = 3.4 V，Iout = 25 mA）

中期结论 - 降压模式 对于PFM稳压器，轻负载会导致输出纹波频率和电压幅度降低。PFM脉冲突发之间的时间随着负载的增加而增加。通过限制典型的固定频率PWM（脉冲宽度调制）稳压器的动态开关损耗，关断时间可以提高低负载效率。 现在让我们考虑升级操作。

升压操作（V IN <V OUT）
设置：V IN = 2.0 V，V OUT = 3.4 V，I O = 250 mA 痕迹： 红色：输出电压纹波= 64 mV 绿色：电感差分电压（直流耦合） 蓝色：电感电流 这一次，稳压器接近其最小输入电压。仔细检查波形（图7）表明，电感器电压行为仍然与降压情况类似。 电感电流上升清晰可见蓝色。在击中第八个脉冲之前，电感电流在七个脉冲上摆动±300 mA，此时调节器的上限滞后极限被击中。电感电流崩溃，导致PFM过程开始之前输出纹波的负向摆动。

图7 - 升压操作（VIN = 2.0 V，VOUT = 3.4 V，IOUT = 250 mA

旁路运行（V IN ≈V OUT）
静态设置条件：V IN = 3.45 V，V OUT = 3.4 V，无负载 痕迹： 红色：输出电压斜坡 绿色：输入电流峰值 蓝色：电感电流 该迹线（图8）显示了输入与输出电压紧密匹配时的操作 - 即在旁路模式下工作时。上部迹线显示电感器上的正向和负向瞬态电压短路。 这次电感电流看起来明显不同。 图8中的标尺显示电感电流波形的负向边缘约为300 mA - 与其他模式一致。该边沿表示从电感器中抽出的能量，对输出电容器充电，导致纹波电压上升。开关频率为295 kHz。 当PFM开关打开时，电感电流迅速下降约500 mA。在这种情况下，振铃发生在输出纹波波形的下降沿。 与其他工作模式一样，降低负载会导致开关频率的预期下降。显示25 mA负载（图9）时，频率降至62 kHz。

图8 - 旁路运行（Vin = 3.4 V，Vout = 3.4 V，250 mA负载） 图9 - 25 mA负载的旁路模式

结论 能够在PicoScope 4444的高共模抑制的帮助下查看真正的差分信号，有助于对具有浮动节点的系统进行快速系统调试。在PFM稳压器的情况下，建立了电感器电流及其对输出电压纹波性能的影响。这证明了设备控制系统的效果：即PFM脉冲数量的下降和开关速率导致在较轻负载下纹波频率和幅度同时下降，而与工作模式无关。 探测电感有助于识别输出电压噪声的来源，即PFM电流脉冲作用于其自身的噪声。很明显，被动探测调节器使用的小电感加载了电路，加剧了几条走线中出现的振铃。 从阅读中看不出这一事实是PicoScope 4444提供了几个简化本文所述测试性能的功能。在未来的功能中提到这一点非常重要。 最后，虽然用于此次审核的切换器类型非常高效且易于部署，但它并不适合所有应用程序。变频操作使EMI控制成为一项挑战。因此，PFM稳压器在精密和敏感无线电应用中的应用较少。 如果能够获得真正的差分探测功能，您会解决哪些调试问题？我们很想听到您的声音！