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干货!电源的上电抖动问题分析

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发表于 2019-9-26 00:51:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
电源是每个电路系统的核心;其关系到这个电路是否正常工作;而对于高端的ARMDSP等嵌入式处理器更是如此。概因处理器性能越强,对核心的供电要求越高。大电流输出,高电源稳定性是必须的。
近日在调试TMS320C6678 DSP系统的时候遇到问题,发现同一个DC-DC电源方案,在不同的输出电压下有不一样的表现。发现其在设置为3.3V供电、1.5V供电的时候,上电曲线很完美;但是在设置为1V供电的时候,在上电的瞬间却存在抖动的现象;这让我大吃一惊。
测试对象:TMS320C6678小系统,供电芯片:TPS54620
测试工具:无线示波器(泰思科技 F28M6D)
测试方式:电压电流,电路参数计算
1、电路电压测量
1.jpg
示波器及待测板子
6 r( }: Q9 b& R5 I  ~: k
( T/ R0 ?* m; d3 _+ o- i
2.jpg
电压测试

, i7 v' p3 q; g% X1 s8 o
2 ?( Q9 ]7 |4 E4 v- W
3.jpg
核心电压测试
* G7 ~5 h: E8 u. t

+ W0 w! _2 k/ _5 Z+ i9 A
4.jpg
3.3V的上电曲线

, d  r1 J1 \" j/ W5 a5 w
- T1 @# ~9 V0 _0 d2 c0 ~
5.jpg
1.5V的上电曲线

  H. O6 }; b6 O" U$ O! u

5 [- w( L, W2 x
6.jpg
1.0V的上电曲线(发现上电有杂波)

# S9 Y# D! g' l3 g) T8 l0 t) m  [
4 B* q: M  M+ x2 n
7.jpg
放大波形

7 P3 ^/ ]7 t- Z& \7 s. J" ]
$ G1 |3 _9 x4 C" Q0 V: O9 O
2、数据测量
8.jpg
- ], R/ P( E8 _1 i0 p

& ^0 S# T: @' s; |  G" Z! K' V2 X
在触发出电源的上电瞬间波形后,打开FFT查看频率成份;经过对比,发现抖动的噪声集中在16.9KHz到28.2KHz这个频段。而3.3V的上电曲线则非常干净,没有什么噪声掺杂在里面。
9.jpg
3.3V的频率成份

1 J: Z0 \$ P! d& Y7 N% u4 v2 b3 ]
, Z5 Z' d3 n+ K  P' l0 u4 x
10.jpg
1.0V的频率成份

0 j( u4 X3 C' v- z; Q
" c0 X, D) I+ n, |
3、原理分析:
电路设计是这样的:
11.jpg
3.3V原理图

9 x2 P  G7 y7 x0 Q. B

8 p" A8 |* N6 f  ^) i
12.jpg
1.0V原理图
7 h$ E9 I& ]9 Z, ]2 b
2 a" q' i. v3 a- V# u! D# |
输出电压计算公式
VOUT = 0.8(R1+R2)/R2
则VOUT = 0.8*(2.49K+10K)/10K = 0.9992V
电压输出值符合设计。
13.jpg
最小电感的计算
1 i# o: W8 Y3 m% Y

0 q& ]: o$ n  d( G
则Lmin = ((9 - 1)/(4 * 0.3)) * (1 /(9*900kHz)) ≈ 0.8uH
实际电感取值:2.7uH/6A;符合设计。
14.jpg
最小滤波电容的计算
0 i9 Y1 u% m+ c( M, o
7 G) R4 a( k1 H8 f$ B9 b. f6 B, h
则Cmin = (4*1)/(900kHz*0.075) = 59.24uF
实际电容值:22uF+22uF = 44uF,不满足设计。
4、优化方案:
输出端增加滤波电容,为达到更好的滤波效果;增加电容组合:22uF+1uF+100nF =23.1uF;增加后总电容值为44uF+23.1uF = 67.1uF;符合设计要求。
(不同电容大小的独立电容在对应的噪声频段有更好的滤波效果,具体分析在后续的技术文章中说明。)
5、更改结果:
15.jpg
增加了电容后

! x0 `$ [$ V$ W4 B+ C

* ?( Q9 a1 N1 w$ k8 U& |6 V
上电测试:
16.jpg
更改后1.0V上电曲线
6 Q) I# X0 R8 i2 f
; r+ I# \' P1 I/ f
FFT频域分析:
17.jpg
FFT

) h3 K( D8 W% B1 O. x$ }& o
" O* w5 G% @. v
小结:
可以发现,更改后的设计;即使符合设计要求,但是上电震荡的问题仍未解决;总体的纹波有改善,但并不明显。
从调试结果来看,也不是电感电容值的问题;在调试过程中,电感值更换了1uH、1.5uF、22uH;均存在震荡的现象。故,初步推测,这个问题是TPS54620的固有缺陷。具体的原因还需要深入排查及咨询原厂。
3 M" S" Y6 V8 N: j& q' [) A
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