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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
2 i9 i8 `5 D1 w" w) H1 p: z0 R) }
) E' U  d& D1 I  N$ l; {: X
2.jpg
电压测试
1 {* j6 b& I! s0 ]/ T+ o& `. W9 P
& _" U* j6 `# W% s
3.jpg
核心电压测试

4 p* L; v1 r3 b9 y! u% T/ c% W" C  ]2 u# f! D
4.jpg
3.3V的上电曲线

( h; \4 V# f  K8 Z0 q+ t+ P9 a& Y7 @. d' t  {2 m& J# M( [
5.jpg
1.5V的上电曲线
3 W7 t( {" y" C$ a. k( p" ~/ `# B

2 D+ E3 @  K9 m# C! m5 i: O' s
6.jpg
1.0V的上电曲线(发现上电有杂波)
& h. R4 u$ f( t( }7 z

# v  n) u) N  T% X. X
7.jpg
放大波形
, g; {6 a. d9 M$ f: {

5 y) ?% u  w% c( S. {
2、数据测量
8.jpg
, m6 ~, c7 k2 Z0 O! s

; h6 y# C$ E6 Y0 u& }& u
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

, D$ R7 a( N; e7 n7 K

8 F2 Q9 O: o" v) p
10.jpg
1.0V的频率成份
+ r, A5 ]) }# E. [' X& p7 o
5 \1 D0 u1 u* S/ O  M1 I+ ?
3、原理分析:
电路设计是这样的:
11.jpg
3.3V原理图

5 w7 l2 e) _) }( {( h1 I

& I7 x: `+ m) l  p, A1 h
12.jpg
1.0V原理图
* f  y5 r8 k9 u* G' P
2 ^0 F; G( K) F. Y( x
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

! K& l8 Y9 C9 b3 d" V. l0 ^0 G: d* d

# _; A: k  A7 Q. i
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

  p1 ~" J# i$ ?5 h  d  U7 N
$ c" O9 F: `5 ]+ H( G8 Z
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

4 ~! _% A2 ~) f( B5 l" k. f+ X

. y1 J; x0 P$ `- ]% U
上电测试:
16.jpg
更改后1.0V上电曲线

7 d8 T8 N) u% O# O! r

( M% G9 N  o! _* T9 \
FFT频域分析:
17.jpg
FFT
1 g& u0 [' b7 v0 U. t0 A
* r* b" p& @; }6 ^7 {4 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。
* I7 Z8 K+ q" e
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