调试升压变流器的方法分享
dc/dc 变流器ic可能在整个产品系统的并不起眼，但它们对产品的稳定可靠工作至关重要。尽管ti 提供详细的规格书和应用文档帮助客户在系统上正确地实现变流器ic的功能，在实际应用中依然因为种种原因导致ic不正常工作问题，例如启动异常，输出电压不稳定，纹波过大甚至ic损坏等等。大部分时候，引起ic异常工作的原因并不复杂，简单的调试可以快速地定位并解决问题。这篇文章介绍几点针对升压变流器的调试经验。
第一点： 能否在多块板子上重复相同现象
当在一片系统板子上发现问题的时候，首先要做的是尝试在另外一片或多片板子上重复现象。如果现象无法重复，那么问题可能是由于焊接不良或者ic损坏导致的。
焊接不良可能出现在dc/dc 变流器ic及其外围器件上，分为两种情况：相邻pin脚短接和pin脚虚焊。短接问题可通过观察pin脚焊接情况并且测试相邻pin阻抗的确定。ic的pin脚虚焊可利用ic内部的二极管排查。
如图1所示，因为电路需要，ic内部在gnd pin脚与其他pin脚之间有一个二极管。使用万用表测试二极管的档位测试这些二极管压降，可以间接排查ic的虚焊问题。二极管压降一般在0.5v~0.7v之间。
图 1: vin pin 和 gnd pin之间的二极管
变流器ic的损坏主要由esd 过压，pcb布板不好或者外接过压电源引起的。测量不同pin脚和gnd pin之间的阻抗，并且与正常ic相比较可判断出ic是否损坏，以及损坏的位置。
第二点：是否选择正确的器件
电感和输出电容是关键的外围器件。建议选择规格书推荐的电感值和电容值。规格书在“recommended operating conditions,” “inductor selection” and “capacitor selection” 这些章节提供电感和电容的参考值. 如图 2所示，升压变流器ic tps61253 规格书建议有效电容值 在3.5µf to 50µf之间，电感值在0.7µh to 2.9µh之间。
图 2: tps61253 建议工作条件
须注意陶瓷电容的有效电容值与其偏置直流电压相关，小于标称电容值。以村田0603封装10 µf电容grm188r60j106me47为例，在5v偏置电压下电容有效值仅为3µf。过小的输出电容值导致输出纹波过大甚至输出电压不稳定。选择饱和电流足够大的电感，否则在重载条件下电感可能饱和，电感量降低至推荐范围之外，引起ic异常工作。
第三点：pcb布板是否合理
不合理的pcb布板会导致很多问题：电压纹波过大，输出电流能力受限甚至ic损坏。输出陶瓷电容是升压变流器pcb布板中最重要的器件，绝大部分布板问题是由输出陶瓷电容位置和走线不合理导致的。参考应用文档“five steps to a good pcb layout of a boost converter” 以及对应ic的规格书pcb建议章节的排查pcb问题。如果怀疑问题由某个器件的不合理位置导致的，可以在现有系统板上调整并实验，进一步确认问题，以便于后续的pcb布板修改。
第四点：测试工作电压波形
变流器的工作波形对找到问题的原因非常有用。在升压变流器中，vin pin、sw pin、vout pin 和电感电流icoil波形最为重要。图 3 示意电感电流的测量方法：在电感中串联一根电线，并用电流探头测量流过电线的电流波形。
图 3: 测量电感电流的方法
如果条件允许，最好同时测量这四个点的波形。图 4 示意ic tps61258的轻载和重载条件下正确工作波形，图中通道1、通道2、通道3 和通道4 分别代表输出vout, sw, vin and icoil (电感电流)。其中 通道1为直流耦合，偏置电压设置等于输出电压5v，这样可以同时获知直流电压值和电压纹波的信息。
在轻载条件，tps61258工作在轻载高效模式：ic工作一段时间，然后待机一段时间。在重载条件下，tps61258工作在定频模式，开关频率约为3.5mhz，减小输出电压纹波。
在重载条件下，sw电压等于0v或者输出电压值。当sw电压等于零的时候，电感电流线性上升；sw电压等于输出电压时，电感电流线性下降。
(a）轻载条件 (b)重载条件
图 4: tps61258工作波形 (通道1 vout, 通道sw, 通道vin, 通道icoil)
规格书一般会提供ic的正常工作波形，如果实测波形与之不一致，则可能判断出问题的原因，比如电感电流过高导致限流，输出电压不稳定，输入电压超过规定范围等等。
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当在一片系统板子上发现问题的时候，首先要做的是尝试在另外一片或多片板子上重复现象。如果现象无法重复，那么问题可能是由于焊接不良或者ic损坏导致的。
焊接不良可能出现在dc/dc 变流器ic及其外围器件上，分为两种情况：相邻pin脚短接和pin脚虚焊。短接问题可通过观察pin脚焊接情况并且测试相邻pin阻抗的确定。ic的pin脚虚焊可利用ic内部的二极管排查。
如图1所示，因为电路需要，ic内部在gnd pin脚与其他pin脚之间有一个二极管。使用万用表测试二极管的档位测试这些二极管压降，可以间接排查ic的虚焊问题。二极管压降一般在0.5v~0.7v之间。
图 1: vin pin 和 gnd pin之间的二极管
变流器ic的损坏主要由esd 过压，pcb布板不好或者外接过压电源引起的。测量不同pin脚和gnd pin之间的阻抗，并且与正常ic相比较可判断出ic是否损坏，以及损坏的位置。
第二点：是否选择正确的器件
电感和输出电容是关键的外围器件。建议选择规格书推荐的电感值和电容值。规格书在“recommended operating conditions,” “inductor selection” and “capacitor selection” 这些章节提供电感和电容的参考值. 如图 2所示，升压变流器ic tps61253 规格书建议有效电容值 在3.5µf to 50µf之间，电感值在0.7µh to 2.9µh之间。
图 2: tps61253 建议工作条件
须注意陶瓷电容的有效电容值与其偏置直流电压相关，小于标称电容值。以村田0603封装10 µf电容grm188r60j106me47为例，在5v偏置电压下电容有效值仅为3µf。过小的输出电容值导致输出纹波过大甚至输出电压不稳定。选择饱和电流足够大的电感，否则在重载条件下电感可能饱和，电感量降低至推荐范围之外，引起ic异常工作。
第三点：pcb布板是否合理
不合理的pcb布板会导致很多问题：电压纹波过大，输出电流能力受限甚至ic损坏。输出陶瓷电容是升压变流器pcb布板中最重要的器件，绝大部分布板问题是由输出陶瓷电容位置和走线不合理导致的。参考应用文档“five steps to a good pcb layout of a boost converter” 以及对应ic的规格书pcb建议章节的排查pcb问题。如果怀疑问题由某个器件的不合理位置导致的，可以在现有系统板上调整并实验，进一步确认问题，以便于后续的pcb布板修改。
第四点：测试工作电压波形
变流器的工作波形对找到问题的原因非常有用。在升压变流器中，vin pin、sw pin、vout pin 和电感电流icoil波形最为重要。图 3 示意电感电流的测量方法：在电感中串联一根电线，并用电流探头测量流过电线的电流波形。
图 3: 测量电感电流的方法
如果条件允许，最好同时测量这四个点的波形。图 4 示意ic tps61258的轻载和重载条件下正确工作波形，图中通道1、通道2、通道3 和通道4 分别代表输出vout, sw, vin and icoil (电感电流)。其中 通道1为直流耦合，偏置电压设置等于输出电压5v，这样可以同时获知直流电压值和电压纹波的信息。
在轻载条件，tps61258工作在轻载高效模式：ic工作一段时间，然后待机一段时间。在重载条件下，tps61258工作在定频模式，开关频率约为3.5mhz，减小输出电压纹波。
在重载条件下，sw电压等于0v或者输出电压值。当sw电压等于零的时候，电感电流线性上升；sw电压等于输出电压时，电感电流线性下降。
(a）轻载条件 (b)重载条件
图 4: tps61258工作波形 (通道1 vout, 通道sw, 通道vin, 通道icoil)
规格书一般会提供ic的正常工作波形，如果实测波形与之不一致，则可能判断出问题的原因，比如电感电流过高导致限流，输出电压不稳定，输入电压超过规定范围等等。
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