DC-DC芯片基础及其ATE测试

一.DC-DC基础

DCDC(直流-直流转换器)是PMIC的一种类型，它和LDO一样，通常用于给电子设备供电，但和LDO不同的是，DCDC一般应用于对效率要求比较高的场景中，另外，LDO一般只能用于降压，而DCDC既可以升压，也可以降压。我们经常听到的开关电源指的就是DC-DC。
具有降压功能的DCDC称作Buck，也是使用率比较高的DCDC，它能将较高的电压转化为一个稳定的低电压。
具有升压功能的DCDC称作Boost，它能将较低的电压转化为一个稳定的高电压。
Buck和Boost的拓扑结构类似但又有很大区别，但它们的元器件是几乎相同的。

二.Buck电路的基本工作原理

下图为Buck电路的基本拓扑结构：其中S1是MOS管，在Buck电路中，MOS会一直开合产生PWM波，经过Buck电路，输出一条接近于DC的直流电压波形。
当MOS闭合时，环路是图中紫色的线；二极管D1截止，电流流经电感L1给负载RL供电，此时电容C1和电感L1处于充电和储能状态，由于电感上的电流不能突变，电感上的线圈在未饱和时，IL呈线性增加，此时输出电压显然无法达到输入的电压值。此时电感的正向伏秒积为 ： <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> ( V i n − V o u t ) ∗ t o n (Vin-Vout)*ton </math>(Vin−Vout)∗ton
当MOS断开时，环路是图中绿色的虚线；由于电感维持原来的电流方向，将之前储能的电流释放给电容C1和负载RL，当电流流经D1时，二极管续流，又经过原来的路径。电容会滤掉尖峰的部分，使波形更平顺。

下图为MOS管闭合以及断开时，各节点的电流波形。可以看到，当MOS管闭合时，此时VIN和电感相连，电感上的电流IL上升，二极管由于反向截止，因此电流为零。
当MOS管断开时，电感左侧和VIN断开不再有电流，电感自身的电流向电感右侧流，经过负载RL，因此此时的IL呈下降趋势，MOS断开的一瞬间，电感电流达到最大，根据楞次定律，此时电感为了维持原来电流的方向，会产生反向电动势，但此时由于MOS的断开，电感左侧电压瞬间拉低，反向电动势使得电感右侧变为负压，因此二极管的阳极为负压，阴极为0V，二极管反向导通，并在这一瞬间吸收了MOS管释放的电流，因此突变一个比较大的电流，随着电感电流下降(释放给负载)，二极管上的电流也逐渐减小。
MOS管再次闭合时，由于VIN再次恢复供电，二极管状态翻转，反向截止，电流瞬间变为0，此时由于电感左侧的电压为VIN，右侧接地，电感为了维持原来的状态，会产生一个新的反向电动势，即产生一个左负右正的反向电动势来反抗电流的增大(此时电流从右往左，将新电流往左推)，因此电流又会线性上升，而不是突然跳变(这是DCDC电路的核心，利用电感上的电流不能突变)。
下图更加详细地展示了Buck电路上各个器件的电流和电压波形。另外，图上没有标注但值得注意的是输出电压的波形(这也是Buck电路的目的，将一个PWM波输出为一个接近于DC的电压)。输出电压即RL的负载，由于RL是完全由电感供电的，所以RL的电压波形应该和IL完全一样，即有明显变化的锯齿波。但由于电容的滤波，使得原来的电压波形被"削峰填谷"，使波形变成平滑且波动很小，近似于直流的波形。因此，输出电压的纹波和电容的容值相关，电容越大，纹波越小。

输入电压与输出电压的关系：根据电感伏秒平衡 原理，导通期间的电感电压 (Vin - Vout)与关断期间的电压 (-Vout)在各自时间内的乘积之和为零，可以间接推导出 Vout = Vin * Duty。(具体推导过程略)

三.Boost电路的基本工作原理

Boost电路的元器件组成和Buck完全一样，只是排列方式有区别：电感、二极管和MOS管的位置和Buck不一样。其中S1是MOS管，在Boost电路中，MOS会一直开合产生PWM波。与Buck电路最显著的区别是，电感L1位于输入侧，并与负载串联。输出也是接近于DC的电压，但和Buck的区别是，Buck电路实现降压功能，Boost电路实现升压功能。
MOS管闭合时，VIN供电给电感L1，此时回路为图中紫色的线；由于二极管反向截止，电流只能经过电感经过MOS管回到电源。由于电感上的电流不能突变，电感上的电流IL会持续上升，此时此时电感的正向伏秒积为 ： <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> V i n ∗ t o n Vin * ton </math>Vin∗ton
MOS管断开时，二极管被导通，电感原本储备的能量和VIN一起释放给RL，同时给电容C1充电，所以此时VOUT>VIN，从而实现升压的目的。MOS管再次闭合，RL的电压也不会直接降为0V，因为之前电容充的电会在此时释放给RL,保证输出电压不会跌到低。

下图为MOS管在开关时，Boost各节点的波形，当MOS管闭合时，MOS管S1闭合，将电感L1的右端直接短路到地（GND）。此时，输入电压VIN全部加在电感L1两端，电感电流IL线性上升，电能以磁能的形式储存在电感中。电流沿着MOS管流向GND，此时SW的电平为低；电感电流IL流向MOS管，因此MOS管上的电流IS也呈上升趋势；由于此时二极管的阳极接SW=0V，所以二极管无法导通，没有电流流过，波形表现为低。
当MOS管S1断开时，切断了电感对地的直接通路。由于电感的电流不能突变，为了维持电流的连续，电感会想办法导通二极管，由于此时二极管反向截止，所以电感会产生一个左负右正 的反向电动势，会将SW点的电压抬高一点，使得二极管能导通。这个反向电动势使电感右端的电压急剧升高 （叠加在输入电压VIN之上），直到高于输出电压VOUT一个二极管的管压降。此时，二极管D1的阳极电压高于阴极电压，因此二极管正向导通 ，此时SW呈现为高电平；MOS管由于和电感断开，瞬间被接地，所以电流为0；二极管由于电感反向电动势的作用被瞬间导通，电感上储存的电流一瞬间释放给二极管，因此波形呈现一个比较大的电流；电感中储存的能量，加上输入电源VIN的能量，一起 通过二极管向负载RL供电，并给输出电容C1充电。电感电流IL线性下降。输出电压波形和电感电流波形相反，当MOS管断开时，电感储存的能量和VIN叠加，VOUT上升，当MOS管闭合时，VOUT依靠电容放电来维持，电压线性下降。这一点和Buck不同，因为Buck中电感和负载是串联的，所以在Buck电路中IL和VOUT同升同降，但在Boost电路中，由于电感和RL之间被二极管隔开，电感电流IL和VOUT之间存在时差，所以会产生延后性。

三.同步与异步及自举电路

1.同步与异步

不管是Buck还是Boost，都分为同步型和异步型。我们以下图Buck电路为例，左侧是异步型Buck，即回路依靠二极管D1来续流，右侧是同步二极管，原先的D1被替换成第二个MOS管Q2，利用MOS管的体二极管来续流。
具体工作原理是：当Q1闭合时，Q2完全断开(模拟D1反向截止)；当Q1断开时，Q2会在一小段死区时间后闭合，Q2的体二极管代替异步Buck中的二极管，由于MOS本身具有很小的导通阻抗，因此可以减小损耗，提升效率。
我们可以简单计算一下，异步型的Buck损耗为： <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> I o u t ∗ V f Iout*Vf </math>Iout∗Vf，同步型的Buck损耗为 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> I o u t 2 ∗ R D S ( o n ) Iout²*RDS(on) </math>Iout2∗RDS(on)，二极管的导通压降是固定的，通常是0.5-0.7V，而MOS管的RDSon却可以是毫欧级别，因此在电流比较大的情况下同步的Buck损耗比较低，效率比较高。但同步的Buck中的Q2需要外部逻辑控制开合，这一点比异步Buck要复杂。

2.自举电容

在同步型Buck中，由于SW点连接下MOS的D极，同时连接上MOS的S极，由于SW点是PWM波，电压周期性呈现高低电平的变化，所以当电压为高的时候，此时Q1的S极为高，导致Q1无法正常导通。为了解决这个问题，在BST和SW之间接一个自举电容CBoot，当SW为低(0V)时，芯片内部的电源给Cboot充电，直至电容充满，当SW为高时，由于电容两端电压不能突变，所以Cboot会维持所充电的电压例如5V，如果此时SW=12V，那么BST到SW的压差就有17V，芯片内部有一个高边驱动器会将这个17V的压差驱动给MOS管的G极，因此此时的Vg=17V，而Vs=12V，Vgs=5V>Vth从而使MOS导通。

四.DCDC的工作模式

DCDC的工作模式大致可以分为CCM、DCM、BCM和FCCM，即连续导通模式、断续导通模式、边界导通模式和强制连续导通模式。

1.连续导通模式CCM

CCM要求电感电流在整个正周期内始终为正值，即连续流动，永不归零，具有较小的输出纹波和较低的峰值电流。是DCDC在重载和电感比较大的情况下的工作模式。CCM需要较大的功率电感。

2.断续导通模式DCM

DCM要求电感电流在一个周期内可以下降至0并保持一段时间，通常适用于轻载、小电感和低占空比的情况。在相同负载的情况下，DCM所需的功率电感比CCM要更小。在轻载时，效率较高，但同时输出纹波和峰值电流也较大，且对负载变化敏感。

3.边界导通模式BCM

BCM是介于BCM和DCM的一种工作模式，即电感电流在一个周期结束时刚好降为0，支持该模式的DCDC一般都是基于电流归零检测机制来控制开关管导通，因此只在少数条件下会用到，例如功率因数校正前端。

4.强制连续导通模式FCCM

FCCM主要解决BCM和DCM模式等传统轻载模式下输出纹波大和动态响应延迟的问题，当电感电流低于0的时候，CCM模式下直接进入DCM模式，但在FCCM模式下允许电感电流反向流动，保持永不间断。适用于对输出纹波和动态响应延迟要求比较高的情景，如CPU、GPU、射频电路供电等。

五.DCDC的主要参数及ATE测试方法

不论是Buck还是Boost，对于ATE测试来说，都有几项比较重要的测试，也是PMIC中比较重点的测试参数。(以下都以数模混合的Buck为例，测试电路以下图为准)

1.输出电压相关测试项目

测试DCDC转换器的输出电压Vout，测试方法为：VIN在Vtyp条件时上电，SW=Vtyp，数字管脚上电，复位脚上电，配置寄存器到对应的测试模式，VOUT带载，测量VOUT上的电压。调试时需要用示波器抓取VIN和VOUT的波形，需要确认VIN的波形没有明显过冲，然后等待VOUT波形稳定后采集。
负载调整率Rload，测试方法为：分别在轻载和重载条件下测量VOUT1和VOUT2，作差判断变化量是否在规格内，这个方法和LDO类似。
线性调整率Rline，测试方法为：固定负载Iout，分别在不同的VIN条件下测试VOUT，作差判断变化量是否在规格内。

2.静态功耗

静态输入电流Iq，测试方法为：芯片正常开机工作时，VIN和SW同时上电，数字pin脚上电，复位脚上电，芯片开机，配置寄存器到对应的测试模式，分别测试VIN和SW脚上的电流并相加。
关断电流Isd，测试方法为：将数字pin脚悬空，VIN、SW和VOUT同时上电，复位脚拉高再拉低，分别测试VIN、SW和VOUT上的电流并相加。

3.功率管相关

功率管漏电之IDSS(VGS=0V，DS之间的漏电)，测试方法为：1.下管的IDSS，如图即Q2的IDSS：上下管关闭，VIN=SW=Vtype，VOUT悬空，数字pin脚上电，复位脚拉高，芯片开机，配置寄存器进入相关测试模式，测量SW上的电流。(注意：Buck和Boost对于VOUT的处理方式是不同的，Buck悬空即可，Boost需要上电！) 2.上管的IDSS，如图即Q1的IDSS：上下管关闭，VIN=Vtype，SW接地，VOUT悬空，数字pin脚上电，复位脚拉高，芯片开机，配置寄存器进入相关测试模式，测量VIN上的电流。(Boost恰恰相反，SW接地，VOUT=type，测量VOUT的电流)
功率管漏电之IVGS(VDS=0V，施加VGS，测量G极电流)，测试方法为：1.下管的IVGS，上下管关闭，将下管的VDS=0V，即SW=0V，VDD=Vtype，数字pin脚上电，复位脚拉高，芯片开机，配置寄存器进入相关测试模式，由于G极没有电源通道，提供内部电路切换将原本G极的电流引导至其他pin脚测试(如VDD)；2.上管的IVGS,上下管关闭，VDD=SW=type(VDS=0)，数字pin脚上电，复位脚拉高，芯片开机，配置寄存器进入相关测试模式，由于G极没有电源通道，提供内部电路切换将原本G极的电流引导至其他pin脚测试(如VDD)。(Boost测试同理，注意电感位置有区别)
功率管的RDSon，即MOS管在导通时DS之间的阻抗，测试方法为：1.下管的RDSon，配置相关寄存器使上管关闭，下管导通，VDD=Vtype，SW注入一个电流，通常是500mA，测量SW脚的电压，RDSon=Vsw/Isw。2.上管的RDSon，配置相关寄存器使上管导通，下管关闭，VDD=Vtype，SW拉出一个电流，通常是500mA，测量SW脚的电压，RDSon=(VDD-SW)/Isw。(Boost是VOUT-SW)

六.DCDC的PCB Layout注意事项

这一部分我也不熟练，贴了一篇帖子，讲的很详细。↓ (forum.monolithicpower.cn/t/topic/209...)
参考：(开关电源基础知识)