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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

5 [1 Q9 r$ E. I- k( _
. G$ f8 Q1 K7 S5 D
2.jpg
电压测试

* e& X! C4 T0 @1 [3 v2 d
+ X; [0 a$ v' _, |" \' ]/ @! M
3.jpg
核心电压测试

, D  L( O: Z9 y8 ?. c) k" K3 V2 E/ U' y
4.jpg
3.3V的上电曲线

" B, `) K! T9 R% A' f% x
5 U; E/ f$ _% h6 O7 ?) \
5.jpg
1.5V的上电曲线
: Y( |' d0 Z1 H' t

" l7 B" Z  n  k: `4 X" R8 [
6.jpg
1.0V的上电曲线(发现上电有杂波)

* R7 @" A, ^* Y2 m8 z% c4 b
( p6 R, r& U/ g
7.jpg
放大波形

& S% d% e+ \; F2 ^/ y$ t: y' U% [
7 Q( X: E/ f) V" C: I
2、数据测量
8.jpg
9 h6 r' n' J7 ?( T1 s  _! k+ @/ d: z
1 b1 v. A4 E8 q3 {! |9 s& y1 t
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
# P0 b# O- V* g3 L7 T

( P/ L5 }+ v" V% z2 [$ A" _
10.jpg
1.0V的频率成份

8 @" y3 w% b0 X) {
6 e8 u2 f& s2 B3 K" }
3、原理分析:
电路设计是这样的:
11.jpg
3.3V原理图
5 v1 x' {: Y6 n' e: v. {8 w+ r0 {

1 u/ S6 d* }0 ~$ g" n
12.jpg
1.0V原理图
; Q/ ?0 t' _/ I  Q" X8 `

6 t+ P* y  {6 ]# L6 b- h) i( z
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
; j, s& g* @+ I+ `& v- P

4 m; B0 e8 F" Q! ^
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
& C5 `% K# q3 p7 m8 K% @, \1 N
6 r! T" i! [7 Y+ M$ l! Z" f
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
3 ]. O, Y; B2 i8 l" E

- C3 @) Y% f! r/ I
上电测试:
16.jpg
更改后1.0V上电曲线
" j$ b3 P/ q9 M+ X# l' E% `. w! E

# [0 E' b4 k) R0 @+ s
FFT频域分析:
17.jpg
FFT

; t% S: |$ ~% d2 }
) s( \5 ?% u/ _, h, Y
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。

: ^5 X5 f! @6 i  x3 g0 `+ d
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