在电子系统的世界里，DC-DC 降压转换器作为关键部件，其设计的合理性直接关乎整个系统的性能表现。从 DC-DC 转换器电路设计的角度来看，它需要综合考虑诸多因素，以确保在各种复杂的应用场景下都能稳定运行。无论是手机、电脑等消费电子产品，还是工业自动化设备、通信基站等大型系统，都离不开它的身影。然而，就像任何复杂的电子元件一样，DC-DC 降压转换器也并非总是能按计划完美工作，一旦出现故障，整个电子系统的稳定性和性能都会受到严重影响。所以，掌握有效的故障排除方法，对于电子工程师和相关技术人员来说，是一项必备的技能。
当我们面对一个出现故障的 DC-DC 降压转换器时，首先要明确故障排除的一般规则。这就如同医生诊断病情一样，需要全面考虑各种可能的因素，尽可能地缩小故障原因的范围。
可靠地让系统失效是解决问题的第一步。一个时有时无的故障就像一个隐藏的敌人，随时可能再次出现，只有让故障稳定地表现出来，我们才能准确地找到问题所在。每次只改变一个变量并仔细观察其效果，这是一个非常重要的原则。电子系统就像一个精密的机器，其中的各个部件相互关联，如果同时改变多个因素，就很难判断到底是哪个因素导致了系统状态的变化。当电路停止工作时，要问自己 “发生了什么变化？” 是否有与故障同时发生的事件？这些看似简单的问题，往往能为我们提供关键的线索。另外，查看故障是否随转换板、芯片或负载而移动，有助于我们确定故障的具体位置。
了解了这些基本原则后，让我们来深入探讨一下在设计 DC-DC 降压转换器时可能遇到的常见问题及解决方法。
纹波太大是一个常见的问题。当我们看到输出端有过多的纹波时，首先要考虑电感的因素。电感值过低会导致纹波增大，而增大电感值虽然可以降低纹波，但会使瞬态响应变慢。同时，我们也要注意，较大的电感器纹波电流不仅意味着更高的峰值电流，还会增加电感器在高温下饱和的可能性，这对 FET（场效应晶体管）来说是一个不小的压力。除了电感，输出电容 Cout 也可能是问题的根源。如果 Cout 的值太低，就无法提供足够的存储空间来稳定输出；而如果 Cout 的等效串联电阻 ESR 太高，会导致 Cout 中的 IR 下降，同样会引起纹波增大。此外，开关频率过低也会导致更多的纹波产生。在测量纹波时，使用 10× 探头可以更准确地捕捉噪声。
无法启动也是一个让人头疼的问题。遇到这种情况，我们首先要检查 “启用” 引脚是否正确驱动或上拉，电源良好输出是否正常。启动失败可能是由于负载电容过大，比如 FPGA（现场可编程门阵列），它可能会像短路一样触发电流限制。有些芯片具有消隐和软启动功能来解决这个问题。为了避免误报，我们可以将电流限制点设置得尽可能高，并与 FPGA 工程师协商在系统级优化电容。同时，要确保输入电压 Vinput 没有下垂，并且 UV（欠压）锁定没有因为输入电压下降而激活。
如果电路已经关闭，但输出端仍然有电压，那么这个电压很可能来自另一个电源电路。这时，我们需要仔细检查通向其他活动轨道的不明显路径，找出电压的来源。
监管不力也是一个需要关注的问题。对于远程 Vout 感测，电源路径的欧姆压降可能会导致调节不良，特别是当一条轨道分配给电路板上太多负载时。这就是为什么有时候我们会避免使用多轨转换器 IC（“PMIC”），而选择在负载旁边使用多个转换器。此外，如果电压检测引脚有噪声，要保持该引脚的布局整洁，并确保与检测信号相关的电阻器都放置在控制器附近。另外，参考电压在滤波不足时可能不稳定，也会导致监管不力。
瞬态响应缓慢也是一个常见的故障现象。这主要是由于输出电容太大或电感太大造成的。此外，环路补偿不良也可能是原因之一。虽然完全表征环路特性需要合适的设备，但即使没有网络分析仪，我们也可以通过施加阶跃负载并观察瞬态振铃来了解很多信息。在开发过程中，如果设计负载发生变化，补偿通常也需要相应地改变。
不稳定的问题通常与 Cout 的 ESR 有关。ESR 会在环路响应中引入零点，导致增益曲线停止下降并开始横向移动，从而侵蚀或消除增益裕度。如果零点频率足够低，在相位达到 180° 之前增益不会超过零点，就会导致系统不稳定。较便宜的转换芯片可能会进行内部补偿以节省外部部件，但我们要确保 Cout 和 Cout 的 ESR 在其能够保持稳定的范围内。此外，电压感测不良、求和节点布局或噪声也可能导致不稳定。我们可以使用设计软件生成波特图，并检查相位和增益裕度，包括过热情况。
效率低下也是一个需要解决的问题。自举电容需要足够大，才能为高端 FET 栅极提供电荷，否则，FET 可能无法完全开启，从而消耗更多的电能。与升压引脚串联的电阻可以用于调整开启，以控制振铃。测量电源电路的效率，尤其是 90% 以上的高效率，并非易事，因为这需要测量电流，并且是两个功率量的比率。我们可以通过电子表格工具确定每个组件对损耗的贡献，通常来说，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和电感器的电阻（DCR 或直流电阻）是导致热量浪费的主要因素。
在低温环境下，电解电容的 ESR 会上升，而电容会下降，这可能会导致一系列问题。我们在设计和使用 DC-DC 降压转换器时，要充分考虑到低温对电容性能的影响。
对于采用 PMBus（电源管理总线）的系统，我们要确保在共享数据通信总线上，没有其他节点间歇性地发出干扰信号。同时，要确保使用的上拉电阻足够强，例如 47kΩ 的上拉电阻（如 FPGA 中常用的）就远不如 10kΩ 的上拉电阻效果好。
DC-DC 降压转换器在电子系统中扮演着重要的角色，而掌握其故障排除方法是确保电子系统稳定运行的关键。通过遵循故障排除的一般规则，深入了解常见问题的原因和解决方法，我们就能在面对各种故障时，迅速找到问题的根源，并采取有效的措施加以解决。希望本文能为广大电子技术爱好者和工程师提供有益的参考，让大家在电子系统的设计和维护中更加得心应手。
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