Buck电源的Dropout Mode，你晓得不？
前段时间二火自己倒腾了一块电源评估板，就是用来测试电源环路稳定性/伯德图的那个电源板，部分同学已经拿到了。在家闲来无事，测一下电源评估板的启动波形，得到如下波形：CH1黄色是SW，CH2紫色是Vin，CH3绿色是Vout。可以明显看出 ①Vin(紫色)上电爬坡偏缓； ②Vout(绿色)中间有一段时间(4.8ms)是紧紧跟随Vin上升，Vout和Vin电压相差极小，如光标所标记的区间。 今天我们就聊聊中间这一小段有什么特别的。 一道问题 照例，先抛出来一道问题：上图中展示的Vout紧跟Vin爬升的那一段，Buck电源芯片处于什么工作模式？ 外行看门道，内行看热闹。 如果不仔细去研究，这个电源启动波形可能看过了也就只是看过了，不会留下什么。但是从“看山是山”到“看山不是山”进阶，我们需要做有心人，需要自己去挖掘。 一说到Buck芯片的工作模式，同学的第一反应可能是CCM、BCM、DCM，再进一步是PFM、PSM、Burst Mode等。都不是！ 开山门，进山！ 要识别波形中的奥秘，不妨我们一层层将波形展开，看看究竟是怎样的。通过上图，先了解爬升阶段整体的趋势。如上，局部放大，可以看出在Vout爬升的初期：①SW占空比很小且存在振铃；②SW频率不是固定值，开关频率在逐渐增大；再进一步放大，尝试测量某一时刻下SW的开关频率，fsw约为641kHz。注意，这只是某一时刻下的开关频率，不是定制。再将波形放大的窗口移动到今天我们要重点看的那一段，发现：①SW的占空比极高，上管关断时间极短，波形只剩下一条竖线，甚至显示不出来；②SW的开关频率降到了132kHz左右。通过左右移动窗口，发现这一段时间的频率都是这个频率。注意，前面SW的开关频率是在逐渐增大，而在这一段时间保持不变，而且数值比之前还小。 翻铁卷，解惑！ 上面的波形分析，暂到这里，我们已经发现了SW波形开关频率和占空比的异常，需要在芯片规格书中寻找答案。电源评估板上使用的是TI的LMR33630芯片，在Datasheet中找到了相关的描述，如下图红线标记部分。当输入电压和输出电压非常接近时，上管的关断时间也接近最小关断时间。超过这个点后，开关操作会变得不稳定，输出电压也会不稳。为避免这一问题，芯片会自动降低开关频率以增加有效占空比并保持稳定。在这种情况下，开关频率会降低到140kHz左右。输入电压和输出电压怎么才算非常接近呢？规格书又给出了一个典型的界定值，Vin和Vout的差值在150mV左右，如下红框标注。我们再翻上面的波形，Vin和Vout基本重合，粗略估算差值应该不超过50mV，必然触发了Dropout mode。而我们实测到的开关频率132kHz也与规格书提到的140kHz基本一致，也证明了这个分析。 搞实验，验证！ 为了进一步验证上面的分析，我们在现有条件下尝试搭建一个实验：将Vin设定3.6V，而Vout设定5V，观察电源启动波形。和前面的操作类似，先了解爬升阶段整体的趋势。可以看出电源芯片在使能后，Vin和Vout很快就进入了跟随的状态。上面两幅图，和之前展示的波形类似，起初SW有振铃，开关频率在增大。随机取点，某时刻SW的开关频率约为333kHz。 通过上图可以看出，SW的左侧间距小，右侧间距变大，频率降为130kHz。如上图，将观察窗口持续向右移动，SW的开关频率依旧约为132kHz左右。如上图，我们对光标稍作处理，光标1的数据源设置为Vin，光标2的数据源设置为Vout，时间设置在同一个点为上(即△X=0s)，可以看出Y1=3.53V，Y2=3.50V，△Y=30mV，符合前面规格书提到的Vdropout典型值150mV的说法。另外，在上图中，还可以看出SW的占空比已经达到99.129%，fsw=130kHz。粗略计算，上管的关断时间约为67ns。这个关断时间已经挺进了规格书tOFF-MIN时间(Nom:50ns，Max:85ns)规格。来源：硬件微讲堂
