使用超高速電源優(yōu)化數(shù)字蜂窩產(chǎn)品的測(cè)試性能

引言
在耗電方面，數(shù)字蜂窩手機(jī)的需求與模擬手機(jī)大不相同。其信號(hào)發(fā)射的“爆發(fā)”性要求手機(jī)電池提供快速變化的瞬變電流。在生產(chǎn)測(cè)試中準(zhǔn)確模擬電池性能，要求電源有高帶寬(以在大電流瞬變過(guò)程中減小手機(jī)壓降)并帶有可以仿真電池阻抗的電路。為達(dá)到最高性能，負(fù)載的阻抗(包括DUT、電纜以及裝置)都必須保持最小化。以獲得精確測(cè)試結(jié)果，電壓和電流穩(wěn)定性(包括抗振蕩、過(guò)沖、下沖等)。

電氣性能的交流模型
圖1 展示了生產(chǎn)環(huán)境下電源到蜂窩電話的典型連接。圖中的每一部分都由一個(gè)等效的阻抗元件代表。電源引線和傳感引線都是單獨(dú)的雙絞線，帶有單位長(zhǎng)度阻抗。夾具具有寄生阻抗，而電話作為有源設(shè)備將根據(jù)操作模式的不同對(duì)電源產(chǎn)生寬范圍的變阻抗。圖2展示的電路描述了一個(gè)理想電源，它帶有電阻負(fù)載和遠(yuǎn)程傳感反饋。其功放部分代表了一個(gè)線性或開(kāi)關(guān)電源。
圖3用伯德(Bode)圖表示了增益和相位性能。使用Bode圖，確定了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，增益量將決定電源的精度，高頻增益將決定脈沖電流負(fù)載引起的壓降量。增益越過(guò)0dB的點(diǎn)是系統(tǒng)帶寬，而該點(diǎn)相位決定系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)要穩(wěn)定，相位應(yīng)小于180?，而小?35沙莆鈑畔低場(chǎng)Ｍ?中的系統(tǒng)為單極點(diǎn)系統(tǒng)，圖3表明在極點(diǎn)處，系統(tǒng)斜度將改變 -20dB/十倍頻程，而相位將減90?。託瑗极甸侅应蠂娄的桩岓限\謊映儻?0虼爍玫繚床換岢魷值賈率涑霾晃榷ǖ?80轡灰貧?在電源輸出上增加電纜和電容性負(fù)載，會(huì)在系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)中增加兩個(gè)極點(diǎn)。因此，系統(tǒng)性能會(huì)直接被電纜和負(fù)載特性影響。如果存在足夠的電感和/或電容，系統(tǒng)不穩(wěn)定的可能性就會(huì)很高。圖4顯示了帶有串聯(lián)電纜電感和并聯(lián)DUT電容的電源。s-平面上兩極點(diǎn)的位置形成了一個(gè)二階系統(tǒng)，可由以下特征方程表示：
            (1)
其中共振頻率(w0)為極點(diǎn)頻率，Q被稱為極點(diǎn)Q因子。Q因子可以表示為L(zhǎng)、C和R的函數(shù)：
 rad/sec
                          (2)
極點(diǎn)位置由式(3)確定：
  (3)
圖5描述了由不同Q 值得到的幾種可能響應(yīng)。
如果Lcable和Cload很小以致fo > BW，這里fo為L(zhǎng)cable和Cload引起的共鳴頻率、BW是電源的帶寬，那么對(duì)于所有正值增益F<180?。震}貝爍涸氐乃彩畢煊鈑?即利用了功放級(jí)的全部增益）。此時(shí)反饋放大器中的零點(diǎn)使w1和wpa之間的增益變得平坦。如果Lcable或Cload大到使fo≤BW，則對(duì)于正值增益F≥180低辰淶貌晃榷ā?頻率補(bǔ)償可以用來(lái)改進(jìn)帶電抗性負(fù)載的電源性能。一種為前饋補(bǔ)償式電容，如圖6所示，電容在有效頻率范圍內(nèi)消除了由Lcable和Cload帶來(lái)的極點(diǎn)的作用。電容的作用是將功放信號(hào)直接前饋到反饋放大器的輸入端，并保持輸出穩(wěn)定。從而在f>fo時(shí)消除Lcable和Cload的影響，系統(tǒng)的帶寬也就減小到BW左右，且系統(tǒng)的瞬時(shí)反應(yīng)響應(yīng)(速度)也相應(yīng)減慢。圖7顯示了帶頻率補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)的閉環(huán)增益和相位性能。

改進(jìn)瞬態(tài)性能的技術(shù)
前一部分的信息可以用來(lái)從幾方面改進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。要獲得最好的結(jié)果，可以采用旨在優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)全部元件的全新設(shè)計(jì)，包括夾具及電纜。有些技術(shù)可以用來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)的性能。但DUT的特性是固定的，所以測(cè)試工程師幾乎無(wú)法影響負(fù)載的電容。而Rload和Lcable等參數(shù)可以在不同程度上進(jìn)行控制。
為了獲得最佳的瞬態(tài)性能，并利用電源的全部帶寬，我們已知需要fo>BW。假定fo=1/[2p(LC)1/2]，使Lcable和Cload最小可以最大化fo。與Cload不同，測(cè)試工程師可以對(duì)Lcable進(jìn)行一定的控制。要最小化負(fù)載中的總電感，重要的是使用低阻電纜，并盡量縮短DUT和電源之間的電纜長(zhǎng)度。同軸線的特性阻抗給定為Zcable = (L/C)1/2]，并通常為50W或75W。還有一種專門為此種應(yīng)用設(shè)計(jì)的特性阻抗為10W的同軸電纜。圖8顯示了10W同軸電纜和常用的雙絞線的增益和相位性能。比較用圖10所示10歐同軸線及雙絞線的GSM電話的瞬時(shí)電流和電壓響應(yīng)。在相同的情況下，低阻電纜在電話進(jìn)行信號(hào)發(fā)射的時(shí)候?qū)航岛碗娏鬟^(guò)沖的改進(jìn)接近100%。
如果wpL~ wpC而且Q較大，增加輸出電纜的電阻可以改善輸出的穩(wěn)定性。從公式(2)知，R增加使Q減小分離了wpL和wpC在-w軸上的值并降低了在fo的增益峰值。要找出對(duì)特定應(yīng)用合適的R值，可能需要一些實(shí)驗(yàn)。影響附加電阻最大值的因素為電源類型及輸出電流和電壓值。圖9顯示了某電源系統(tǒng)的增益和相位性能，電源引線中的附加電阻減小了fo處的Q值。
最后，如果電纜和夾具中的電感性已經(jīng)被減至最小但輸出并不穩(wěn)定，可以使用頻率補(bǔ)償來(lái)提高穩(wěn)定性(但是要損失一些輸出帶寬）。圖10顯示了使用15英尺10W同軸線的超高速電源的增益和相位性能。圖10a顯示了無(wú)頻率補(bǔ)償時(shí)帶0.022mF電容的響應(yīng)。增益為負(fù)且相位達(dá)到-180鋇鈉德始負(fù)蹕嗤?，而窍伒统不大稳定。?0b顯示了使用補(bǔ)償后的響應(yīng)。在這種情況下，Q被減小，增益峰值減小了些，相位容限有了極大改進(jìn)。

結(jié)語(yǔ)
在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)數(shù)字手機(jī)進(jìn)行精確測(cè)試需要具有優(yōu)秀瞬態(tài)性能的高速電源。此外，測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)性能還受到負(fù)載阻抗的影響，包括電纜、夾具以及DUT。使用Bode圖分析是為了顯示不同的負(fù)載阻抗對(duì)于系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)增益和相位的影響。在單純電阻性負(fù)載的情況下，系統(tǒng)輸出始終穩(wěn)定。如果負(fù)載包括了電纜中的串聯(lián)電感以及DUT中的并聯(lián)電容，輸出的穩(wěn)定性就取決于電感和電容引起的極點(diǎn)的位置。在一些情況下，可以增加電纜的電阻來(lái)減小Q以增加穩(wěn)定性。在電源和DUT之間使用短線或低阻抗線也可以幫助提高輸出穩(wěn)定性。最后，如果在嘗試了所有可能的設(shè)計(jì)改進(jìn)之后輸出還是不穩(wěn)定，可以在電源中使用頻率補(bǔ)償電路來(lái)改進(jìn)穩(wěn)定性，但是要犧牲輸出帶寬。■