如何对DC-DC降压转换器进行故障排除

本文针对无法始终按计划工作的主要电子系统进行故障排除：开关模式、低压、DC-DC、单相、非隔离、基本降压转换器电路。

转换器故障排除的一般规则

排除故障时，重要的是要考虑哪些变量在起作用并减少可能的故障原因的数量。

以下是一些可以帮助您的指南：

• 您需要可靠地使系统无法排除故障。一个问题自己消失了，它自己又回来了。 

• 一次只改变一件事并注意效果。 

• 如果电路停止工作，询问“发生了什么变化？”是否有与失败同时发生的事件？

• 查看故障是否随转换板、芯片或负载一起移动。

考虑到这些概念，以下是您在设计 DC-DC 降压转换器时可能会遇到的九个常见问题以及一些可能的原因。

测量输出电压的 10× 探头。图片来源：埃里克·博加廷

问题#1：纹波太多

如果您看到太多纹波，则电感可能太低 - 较高的值会产生较低的纹波，但瞬态响应较慢。

另外，请记住，大电感纹波电流意味着更高的峰值电流和更大的电感饱和可能性，尤其是在高温下，并且对 FET 造成更大的压力。

其他问题可能是C out太低（没有足够的存储来支持输出）或C out ESR（等效串联电阻）太高（导致C out中的 IR 压降）。

最后，低开关频率会导致更多纹波。

使用 10× 探头测量噪声。Eric Bogatin 的“如何测量开关模式电源 (SMPS) 中的噪声”的屏幕截图

问题#2：无法启动

首先，问自己这个问题：“启用”引脚是否正确驱动（或上拉）？电源良好输出也是如此。

启动失败可能是因为您发现负载电容过大（例如 FPGA），就像短路一样，触发了电流限制。有些芯片具有消隐和软启动功能来解决这个问题。

将电流限制点设置得尽可能高以避免误报，并与 FPGA 工程师协商在系统级别优化电容。

最后，确保V输入不会下降，并且 UV 锁定不会由于输入下降而激活。

问题#3：关闭时输出端存在电压

如果您的电路确实关闭，但您在输出上看到电压，则该电压通常来自另一个电源电路。检查是否存在通往其他活动导轨的不明显路径。  

问题#4：监管不力

通过远程V输出检测，电源路径欧姆压降可能会导致调节不良，这可能是由于分配到电路板上过多负载的电源轨（单个电源转换器输出线）造成的。这就是为什么有时避免使用多轨转换器 IC (“PMIC”)，而是在负载旁边使用多个转换器。

如果您的电压检测引脚有噪音，请保持该引脚的布局整洁，并确保与检测信号相关的任何电阻器放置在控制器附近。

另一种解释是您的参考电压在滤波不足时可能不稳定。

问题#5：瞬态响应缓慢

这里的罪魁祸首是可能有太大的大容量输出电容或太大的电感器。

另一个问题可能是环路补偿不良。如果没有合适的设备，则很难完全表征环路特性。但即使您没有网络分析仪，您也可以使用阶跃负载并观察瞬态振铃，它会以低廉的成本告诉您很多信息。

此外，在开发过程中，如果设计负载发生变化，补偿通常也必须改变。例如，您是否以设计负载的一半使用工厂评估模块？你看到问题所在了。

问题#6：不稳定

C out ESR 可能是不稳定的一个原因，因为它在环路响应中引入了零，这使得增益曲线停止下降并开始横向移动，从而侵蚀或消除了增益裕度。如果零频率足够低，则在相位达到 180° 之前增益不会过零。 

较便宜的转换器芯片可能会进行内部补偿以节省外部部件，但请确保您的C输出满足最小和最大C输出ESR 范围，在该范围内它们将保持稳定。

不稳定的其他解释可能包括电压感应不良或求和节点布局或噪声。

确保使用设计软件生成波特图并检查相位和增益裕度，包括温度范围。

问题#7：效率低下

自举电容器需要足够大，以便为高侧 FET 栅极提供电荷，否则，该 FET 可能无法完全导通，然后会消耗功率。与升压引脚串联的电阻器可用于调节开启以控制振铃。

测量电源电路效率（尤其是 90% 以上）并非易事，因为它需要电流测量，并且是两个功率量的比率。希望您已经通过电子表格工具描述了每个组件对损耗的贡献，该工具通常会告诉您 MOSFET 和电感器电阻（“DCR”或直流电阻）是造成热量浪费的主要因素。

显示降压开关稳压器的效率与频率的关系图。该图取自 Linear Tech/Analog Devices的 LT8610 数据表。

问题#8：低温问题  

请记住，低温下电解电容的 ESR 会上升，电容也会下降。

问题 #9：PMBus 问题

在共享数据通信总线上，确保当您不注意时另一个节点不会间歇性地喋喋不休。

另外，请确保您使用的上拉电阻足够强：47kΩ 上拉电阻（如在 FPGA 中）远不如 10kΩ。

结论

如果您完全不知道该怎么做，请获取更多数据，这将为您提供分析、创造想法和促进团队讨论的东西。

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