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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
, v+ g: H- m( x: H, S% P8 @

' W) T9 Y; _) K) B+ y$ R) @
2.jpg
电压测试

! V8 c  k: G2 m

7 S( P- d" g$ e. |! @) C
3.jpg
核心电压测试
9 V0 a7 L7 p" r2 S0 D7 ~
- `+ e- p" R# N. h0 R& e& [
4.jpg
3.3V的上电曲线

. P+ L0 U* K( B& Q$ i0 Z+ p% m# o: R  E. O2 k
5.jpg
1.5V的上电曲线
1 J/ ?; p& t8 F% ]' Y. V
$ M+ W+ a& ?9 H
6.jpg
1.0V的上电曲线(发现上电有杂波)
; B# {) B' g# g4 r& q. O

( [9 t" u" ]* Z1 g* s% T
7.jpg
放大波形
( H1 G  M* `/ R! k

4 L3 E- j; k" w& e) K+ |9 F
2、数据测量
8.jpg
) u' Y$ U, G0 ?; }0 o# a, M

- ~# M, g+ Q1 X2 n% Y
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
- ]% Q" }2 E. W; c' ?; X# G) ^9 u, V
  @$ @8 F0 W& [
10.jpg
1.0V的频率成份

  B/ A9 d+ C$ N" _9 F# m

/ S( U3 X  }9 c* i4 Z, N" t: K4 k
3、原理分析:
电路设计是这样的:
11.jpg
3.3V原理图

5 t. L2 T) W' Y

* @4 @5 A! S- ]% o: z5 F4 P
12.jpg
1.0V原理图

2 H! v- H$ O/ I

" T, F3 s7 F" Q# B  ^7 A+ `& |
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

$ z' V# N9 W, n& x) h6 q

/ @% M4 J/ K, K# i/ Z
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

+ l! t; x& q4 S( y& ]
- M  \( N- k4 s9 g2 ?
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
! d4 q$ V; c) |8 i) r' f

. i+ W  D" E/ S. x2 Y/ w
上电测试:
16.jpg
更改后1.0V上电曲线
: o1 \& q2 i8 Q4 I. a2 F4 j

* @; p6 F* S* N7 E
FFT频域分析:
17.jpg
FFT
- i  ]) t* P  P: @

& m' `$ Y8 T* w+ d- A
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。

8 O6 b( I0 z7 |  P* r. ?
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