使用超高速電源優化數字蜂窩產品的測試性能

引言
在耗電方面，數字蜂窩手機的需求與模擬手機大不相同。其信號發射的“爆發”性要求手機電池提供快速變化的瞬變電流。在生產測試中準確模擬電池性能，要求電源有高帶寬(以在大電流瞬變過程中減小手機壓降)并帶有可以仿真電池阻抗的電路。為達到最高性能，負載的阻抗(包括DUT、電纜以及裝置)都必須保持最小化。以獲得精確測試結果，電壓和電流穩定性(包括抗振蕩、過沖、下沖等)。

電氣性能的交流模型
圖1 展示了生產環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等效的阻抗元件代表。電源引線和傳感引線都是單獨的雙絞線，帶有單位長度阻抗。夾具具有寄生阻抗，而電話作為有源設備將根據操作模式的不同對電源產生寬范圍的變阻抗。圖2展示的電路描述了一個理想電源，它帶有電阻負載和遠程傳感反饋。其功放部分代表了一個線性或開關電源。
圖3用伯德(Bode)圖表示了增益和相位性能。使用Bode圖，確定了系統的性能和穩定性，增益量將決定電源的精度，高頻增益將決定脈沖電流負載引起的壓降量。增益越過0dB的點是系統帶寬，而該點相位決定系統穩定性。系統要穩定，相位應小于180∮?35沙莆鈑畔低場Ｍ?中的系統為單極點系統，圖3表明在極點處，系統斜度將改變 -20dB/十倍頻程，而相位將減90Ｓ氳ゼ閬煊ο嚶Φ淖畬笙轡謊映儻?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載，會在系統閉環響應中增加兩個極點。因此，系統性能會直接被電纜和負載特性影響。如果存在足夠的電感和/或電容，系統不穩定的可能性就會很高。圖4顯示了帶有串聯電纜電感和并聯DUT電容的電源。s-平面上兩極點的位置形成了一個二階系統，可由以下特征方程表示：
            (1)
其中共振頻率(w0)為極點頻率，Q被稱為極點Q因子。Q因子可以表示為L、C和R的函數：
 rad/sec
                          (2)
極點位置由式(3)確定：
  (3)
圖5描述了由不同Q 值得到的幾種可能響應。
如果Lcable和Cload很小以致fo > BW，這里fo為Lcable和Cload引起的共鳴頻率、BW是電源的帶寬，那么對于所有正值增益F<180Ｕ饈貝爍涸氐乃彩畢煊鈑?即利用了功放級的全部增益）。此時反饋放大器中的零點使w1和wpa之間的增益變得平坦。如果Lcable或Cload大到使fo≤BW，則對于正值增益F≥180低辰淶貌晃榷ā?頻率補償可以用來改進帶電抗性負載的電源性能。一種為前饋補償式電容，如圖6所示，電容在有效頻率范圍內消除了由Lcable和Cload帶來的極點的作用。電容的作用是將功放信號直接前饋到反饋放大器的輸入端，并保持輸出穩定。從而在f>fo時消除Lcable和Cload的影響，系統的帶寬也就減小到BW左右，且系統的瞬時反應響應(速度)也相應減慢。圖7顯示了帶頻率補償的系統的閉環增益和相位性能。

改進瞬態性能的技術
前一部分的信息可以用來從幾方面改進測試系統的瞬態性能。要獲得最好的結果，可以采用旨在優化測試系統全部元件的全新設計，包括夾具及電纜。有些技術可以用來改進現有系統的性能。但DUT的特性是固定的，所以測試工程師幾乎無法影響負載的電容。而Rload和Lcable等參數可以在不同程度上進行控制。
為了獲得最佳的瞬態性能，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，測試工程師可以對Lcable進行一定的控制。要最小化負載中的總電感，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用設計的特性阻抗為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電話的瞬時電流和電壓響應。在相同的情況下，低阻電纜在電話進行信號發射的時候對壓降和電流過沖的改進接近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。要找出對特定應用合適的R值，可能需要一些實驗。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被減至最小但輸出并不穩定，可以使用頻率補償來提高穩定性(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顯示了無頻率補償時帶0.022mF電容的響應。增益為負且相位達到-180鋇鈉德始負蹕嗤蟻低巢淮笪榷āＭ?0b顯示了使用補償后的響應。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。

結語
在生產過程中對數字手機進行精確測試需要具有優秀瞬態性能的高速電源。此外，測試系統的瞬態性能還受到負載阻抗的影響，包括電纜、夾具以及DUT。使用Bode圖分析是為了顯示不同的負載阻抗對于系統閉環響應增益和相位的影響。在單純電阻性負載的情況下，系統輸出始終穩定。如果負載包括了電纜中的串聯電感以及DUT中的并聯電容，輸出的穩定性就取決于電感和電容引起的極點的位置。在一些情況下，可以增加電纜的電阻來減小Q以增加穩定性。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定性。最后，如果在嘗試了所有可能的設計改進之后輸出還是不穩定，可以在電源中使用頻率補償電路來改進穩定性，但是要犧牲輸出帶寬。■