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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
4 N5 [6 R, Z$ F
9 l) b: {1 J' H7 O/ g
2.jpg
电压测试
; R7 y/ l7 h# |. l  t) A: n, L

% d4 Z1 D) K* K! ?) I
3.jpg
核心电压测试

9 j/ k( c8 }6 d$ B# x! w6 ]+ u$ B" C( t
4.jpg
3.3V的上电曲线

9 I9 I  k, M7 R" u" r0 N8 y) l
& S' ]- q' E" M  \: Q  u, s2 x
5.jpg
1.5V的上电曲线

, P% b/ M! \2 M4 o6 B# _/ @; T

; N: T5 B* D8 k% D* k  ~- C
6.jpg
1.0V的上电曲线(发现上电有杂波)
, }+ D+ c8 U- K: f/ j9 W

2 ~# A1 {' e" Q
7.jpg
放大波形
% c. H$ F% g# S# [
9 }9 r' `+ i2 ]& K/ Y% X7 L6 S+ z
2、数据测量
8.jpg
- R  t' g+ ?0 }5 C' U5 T4 b
# D3 b; s6 a, R
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

) P" ~/ ~: q+ y  g
7 {9 G  |4 D3 _# z  s; x( w/ @' E
10.jpg
1.0V的频率成份
5 s, q, l4 m" k4 Y1 V
4 b# g+ D( Y! @
3、原理分析:
电路设计是这样的:
11.jpg
3.3V原理图

+ X' Z4 C2 O$ G4 t$ H
4 g, G# I, }  E, ^7 m6 {
12.jpg
1.0V原理图
) _5 Q/ `, {' D  T7 H0 S7 F
5 J, C9 @: n; j! U% Y
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
+ Q5 W) ]0 M9 {- e" s
# K# V% `3 h0 E2 r, n! ^
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
* w" H+ \0 Q8 q+ ]9 |. l
7 w0 p# X: T0 h7 q7 y0 y3 B' r* l
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

7 U9 X- N& P/ s( E
4 @& \8 V1 L0 z
上电测试:
16.jpg
更改后1.0V上电曲线
6 U8 S9 i! _, J, z' A# t$ A

: |+ |8 g$ g5 G9 h. U/ Q
FFT频域分析:
17.jpg
FFT
, ?8 f" @% s, q0 y7 ]" x3 \" O+ |6 {

' {( y; n: D' y9 n" i; t
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。
6 }4 l& u1 o" U% H. C; Y
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