输出纹波实测：ASP3605在不同输入与负载条件下的稳定性表现

摘要

本文基于国科安芯ASP3605同步降压转换器首轮Demo板测试数据（输出电容配置94μF），系统分析其在4V至15V输入、0.6V-3.3V多输出档位及10mA至5A负载范围内的输出电压纹波特性。实测数据显示，在标准配置下，芯片纹波抑制能力良好，典型工况纹波幅值可控制在10mV以内。但需特别指出，文中数据来源于特定硬件版本，后续版本因电容减至22μF及封装变更，纹波表现显著恶化，提示设计人员必须严格遵循推荐参数。本文旨在为工程应用提供可复现的参考基准，并明确标注测试边界条件与数据局限性。

1. 引言

输出电压纹波是评估DC-DC转换器性能的核心参数，其幅值与频谱分布直接影响后端负载的供电质量与系统EMC特性。ASP3605作为一款同步整流降压芯片，其纹波表现对于通信、工业及消费类电子设备的电源设计具有重要参考价值。本文依据首轮完整测试报告，客观呈现实测数据，并明确指出测试中的方法局限与硬件依赖，避免因参数配置不当导致的设计偏差。

2. 测试平台与方法论

2.1 硬件配置与版本说明

本次测试基于首轮Demo评估板，关键参数如下：

输出电容：采用94μF标称容量（陶瓷电容并联组合）

开关频率：通过RT电阻设定为1MHz（实测范围968kHz-1.04MHz）

测试环境：室温条件，示波器带宽限制20MHz

重要警示：第二版测试因工艺调整将输出电容降至22μF，实测纹波升幅达2-3倍，动态响应过冲恶化至100mV以上。本文数据不适用于22μF配置，设计人员务必以94μF为基准。

2.2 测量方法局限

首轮测试已尽可能规范操作，但需承认以下局限：

示波器探头采用夹子连接（非理想接地弹簧），高频段可能引入额外噪声

动态负载测试为周期性切换（500μs/50ms周期），非单次阶跃响应，恢复时间解读需区分稳态切换与瞬态响应

高温纹波数据未独立测量，通过效率与带载能力间接推断，结论存在不完备性

3. 纹波实测数据解析

3.1 低压输入工况（Vin=4V）

3.1.1 Vout=1.2V档位

空载（10mA）：纹波3.9mV，波形洁净，无低频振荡

2A负载：纹波4.2mV，增幅7.7%，反映CCM模式下电感电流纹波经电容滤波后的残余分量

机理：占空比30%工况下，开关管电流变化率适中，94μF电容提供充足滤波能力

3.1.2 Vout=3.3V档位（关键异常点）

空载状态：输出电压异常跌落至2.9V，纹波测试标注为"异常"，伴随保护现象

条件边界：当输入电压提升至4.2V，异常解除，可稳定输出3.3V

根本原因：并非纹波过大，而是低压差启动裕量不足。芯片在Vin-Vout=0.7V时无法建立有效PWM脉冲，环路进入欠压锁定边缘。此现象揭示4V输入并非3.3V输出的可靠启动条件，设计必须保证Vin≥4.2V或采用预偏置启动。测试明确记录："调高到4.2V可以解除故障"

3.1.3 Vout=0.6V档位

数据缺失：首轮测试未包含此低电压档位的纹波数据，仅第二版22μF配置下有记录

推断：94μF配置下纹波应优于第二版的6.42mV（空载）与25.3mV（5A），但需实验验证

3.2 高压输入工况（Vin=15V）

3.2.1 Vout=1.2V档位

空载（10mA）：纹波7.4mV，较4V输入时增大90%，主要源于开关管更高电压应力导致的dv/dt耦合

5A满载：纹波9.6mV，增幅29.7%，仍在可接受范围

频谱特征：开关频率1MHz分量占主导，未见明显谐波放大

3.2.2 Vout=5V档位

空载：纹波23.7mV，为所有工况中最高值

满载（5A）：纹波22.8mV，基本保持稳定

成因分析：15V→5V转换比3:1，电感电流纹波ΔIL增大，且输出电压高导致反馈路径增益变化，补偿网络需进一步优化

3.2.3 Vout=3.3V档位

数据缺失：首轮测试未单独列出15V输入、3.3V输出的纹波数据，仅在第二版中有记录

3.3 负载电流影响规律

基于首轮Vout=1.2V与2.5V档位的数据：

轻载至中载：纹波随Io上升而近似线性增长，斜率约2-3mV/A

满载：纹波增长趋势放缓，可能与输出电容ESR的电流饱和效应有关

异常段：第二版Vout=2.5V在4V输入、5A负载时出现"电压迅速下降，工作异常"，此现象在94μF配置下未复现，指向电容容量不足导致的电压跌落，而非纹波恶化

重要提醒：第二版测试中"5A-0"动态过冲达81.7mV至100mV，明确归因于22μF电容配置，非芯片本征性能限制。

4. 纹波产生机理与抑制要素

4.1 开关频率与RT电阻实测偏差

RT电阻范围162kΩ-180kΩ，实测开关频率在负载增加时上升约2%（如178kΩ在空载965kHz→满载990kHz）。此现象源于芯片内部结温升高导致振荡器漂移。频率稳定性±3%在可接受范围，但对纹波预测引入微小不确定性。

4.2 输出电容的核心作用

94μF与22μF配置对比：

条件	94μF (首轮)	22μF (第二版)	恶化倍数
4V→1.2V/2A	4.2mV	未测	-
4V→0.6V/5A	未测	25.3mV	基准未知
动态过冲	31mV	100mV	3.2倍

结论：电容容量减少75%，纹波与动态响应性能非线性恶化。设计必须遵循94μF推荐值，任何缩减需重新全面测试。

4.3 环路补偿与ITH引脚参数

动态负载测试揭示了补偿参数的关键作用：

Vout=1.2V：R=14kΩ、C=220pF时，0.5A→4A过冲31mV，恢复时间90μs，表现良好

Vout=3.3V：相同参数下过冲63mV，恢复时间120μs，指标劣化

电容增大效应：C增至470pF时，3.3V档过冲恶化至98mV，表明相位裕度被过度衰减

此数据清晰表明：不同输出电压需独立优化补偿网络，不可复用参数。Vout=3.3V需增大主极点电阻R至16kΩ以上以提升相位裕度。

5. 纹波与其他性能的关联约束

5.1 纹波与效率的权衡

首轮效率数据显示：

Vin=4V、Vout=3.3V、Io=1A时效率95.99%

Vin=15V、Vout=5V、Io=5A时效率82.26%

高效率工况（>90%）伴随高占空比与低开关损耗，理论上dv/dt噪声较低，纹波表现更优。但15V→5V工况效率下降，纹波却未显著恶化，说明输出电容的滤波作用在高压输入时更为关键，可部分抵消效率下降带来的噪声增加。

5.2 纹波与动态响应的本质差异

动态负载测试记录的是电压过冲/下冲幅值（如31mV），与稳态纹波（如4.2mV）物理机制完全不同：

稳态纹波：开关周期内的电荷充放，由ΔIL与ESR决定

动态过冲：环路响应延迟导致的电荷亏缺/盈余，由带宽与相位裕度决定

文章必须明确区分两者，避免将动态响应数据直接解读为纹波性能。

5.3 纹波与保护机制的相互作用

过流保护测试显示，当负载>7A时输出电压在1.2V与0.14V间周期震荡，频率12.5kHz（人耳可闻）。此时纹波已非开关噪声，而是保护环路的宏观振荡。设计时需确保负载不超过5A额定值，避免进入保护震荡区。

6. 特殊工况下的纹波表现与边界条件

6.1 低压差启动失败的本质

4V启动3.3V失败是首轮测试的关键发现：

现象：输出卡在2.9V，提示"类似短路保护"

复现性：第二版测试确认此问题存在，且最大带载仅1.6A

机理：芯片内部欠压锁定（UVLO）或最小导通时间限制在启动瞬态被触发，非稳态纹波过大所致

工程建议：必须将输入电压提升至4.2V以上，或采用软启动电路降低浪涌电流

此问题在竞品LTC3605对比测试中未出现，是ASP3605在极端低压差场景的已知限制。

6.2 短路保护震荡的噪声影响

短路保护测试中观察到的12.5kHz振荡不属于纹波范畴，但会污染输出噪声频谱。测试报告明确记录"保护时会有啸叫声"，此现象源于保护迟滞与重启逻辑的周期性。实际应用中，一旦触发短路保护，负载端电源质量已无法保证，需通过熔断器或外部监控电路实现二次保护。

7. 高低温环境下的纹波稳定性评估

7.1 高温测试的降额现实

首轮高温测试数据显示：

100℃环境：Vin=5V、Vout=3.3V/5A可工作，IC表面81.9℃

120℃环境：Vout=1.2V/4.8A触发保护

150℃环境：Vout=3.3V仅可带载1A

结论：ASP3605可在150℃环境下存活，但带载能力严重降额。纹波性能在高温下未独立测量，不能断言"稳定"。设计时必须按实际负载进行高温验证，不可直接套用常温纹波数据。

7.2 低温启动的纹波瞬态

-55℃启动测试显示，Vout=1.2V/4.8A满载启动时间26.9ms，波形平滑。低温未导致纹波异常增大，但测试仅在启动瞬态记录，持续运行1小时的稳态纹波数据缺失。低温下电感饱和电流下降的风险需在最终设计中验证。

8. 工程应用中的纹波优化建议

8.1 必须遵循的电容配置

首轮测试数据仅适用于94μF配置。若因空间限制缩减电容：

最低限度：不少于2颗47μF陶瓷电容+1颗47μF聚合物电容

禁用配置：单颗22μF陶瓷电容（第二版测试已证实性能不达标）

ESR要求：陶瓷电容ESR<5mΩ，聚合物电容ESR<20mΩ

8.2 输入电压的可靠裕量

基于4V→3.3V启动失败案例，建议：

额定输入：Vin ≥ Vout + 1V（最小压差）

启动输入：Vin ≥ Vout + 0.9V（考虑线路压降）

绝对边界：Vin 不低于4.2V for any Vout

8.3 环路补偿的电压差异化

Vout≤1.8V：R=14kΩ, C=220pF（快速响应）

Vout=3.3V：R=16kΩ, C=330pF（提升相位裕度至>60°）

Vout≥5V：需重新仿真，建议R=18kΩ, C=470pF

9. 与竞品的纹波性能对比（有限数据）

首轮测试对比LTC3605在Vin=4V、Vout=1.2V工况下，两者纹波均在4-5mV量级，差异不显著。但LTC3605未出现4V→3.3V启动问题，显示其在低压差适应性上具有优势。ASP3605的改进空间集中于启动电路，而非纹波抑制环路本身。

10. 结论与适用边界

10.1 明确的数据适用范围

本文结论严格适用于：

硬件版本：首轮Demo板（94μF输出电容）

输入电压：≥4.2V（尤其针对3.3V输出）

负载范围：0-5A（需满足降额曲线）

温度范围：-55℃至100℃（高温需降额验证）

10.2 核心发现

纹波抑制能力：在推荐配置下，CCM模式纹波可控制在10mV以内，满足大多数数字电源需求

边界限制：4V→3.3V存在启动可靠性与带载能力双重限制，非纹波问题

配置敏感性：输出电容容量不得低于94μF，否则纹波及动态性能将严重劣化

高温降额：150℃环境仅支持**≤1A轻载**，纹波数据需重新测量

10.3 后续工作方向

ECO验证：需确认后续改版是否解决启动裕量问题

独立测试：高温纹波应在恒温箱内实测，而非推断

标准测量：全面采用弹簧针探头，消除夹子引入的测量误差