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[導(dǎo)讀]在某FPGA系統(tǒng)中,對電源系統(tǒng)進行調(diào)試,在同樣的測試條件下,發(fā)現(xiàn)其中有一塊板相對其它的板功耗總偏大,進而對其進行調(diào)試分析。 在該系統(tǒng)中,輸入電壓為DC12V,輸出電壓有:5V、3.3V、2.5V和1.2V,綜合考慮電源紋波和轉(zhuǎn)換效率,在該系統(tǒng)中采用了DC-DC和LDO,基


在某FPGA系統(tǒng)中,對電源系統(tǒng)進行調(diào)試,在同樣的測試條件下,發(fā)現(xiàn)其中有一塊板相對其它的板功耗總偏大,進而對其進行調(diào)試分析。

在該系統(tǒng)中,輸入電壓為DC12V,輸出電壓有:5V、3.3V、2.5V和1.2V,綜合考慮電源紋波和轉(zhuǎn)換效率,在該系統(tǒng)中采用了DC-DC和LDO,基本框圖如下所示:


該DC-DC為雙路輸出(5V和3.3V)。這里,功率電感的大小選擇為10uH。以下是對各輸出電壓所進行的紋波測試,波形如下:



圖1、5V電壓紋波


圖2、3.3V電壓紋波


圖3、2.5V電壓紋波


圖4、1.2V電壓紋波

由以上可以看出,各電壓的紋波相當(dāng)大,再次測試5V一側(cè)的斬波波形,如下圖。



圖5、5V一側(cè)斬波波形

從圖中可以看出,該斬波波形是較差的。在FPGA系統(tǒng)中則會表現(xiàn)為:整個系統(tǒng)電流偏大,進而影響功耗偏大。

因此,這里重點考慮DC-DC外圍元件的參數(shù)選擇不合理。首先從功率電感入手,將其由10uH加大到15uH,再次進行測試。更換功率電感后的斬波波形如下,得到了較大改善。



圖6、更換L后5V一側(cè)斬波波形

再次測量各電壓紋波如下:

圖7、更換L后5V電壓紋波



圖8、更換L后3.3V電壓紋波



圖9、更換L后2.5V電壓紋波


圖10、更換L后1.2V電壓紋波


更換L前各電壓的紋波分別為:126mV,65.6mV,49.6mV,39.2mV;
更換L后各電壓的紋波又分別為:32mV,16.8mV,5.6mV,4.8mV。

從以上可以看出,各電壓紋波對得到了較大的改善。繼續(xù)對電路進行改進,加大去耦電容,經(jīng)測試,紋波再一次得到了減小,不過作用并不是太明顯。

分析:若DC-DC的紋波較大,則會直接影響其轉(zhuǎn)換效率,進而造成一些不必要的能量浪費,使整個系統(tǒng)的功耗偏大。

紋波偏大的影響:

紋波過大會引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,發(fā)熱量偏高等。長期的工作不穩(wěn)定還可能造成芯片功能下降或損壞

總 結(jié):功率電感對于DC-DC的影響是極大的,在實際的DC-DC電源調(diào)試過程中,如果發(fā)現(xiàn)輸出紋波較大,可以先測試一下其斬波波形,并首先嘗試改變一下功 率電感的參數(shù)(應(yīng)盡量滿足芯片手冊給出的要求),增大電源濾波電容等;紋波大還有可能是PCB走線不合理造成,所以在PCB的設(shè)計過程中也要引起重視(一 般在芯片手冊中都有Layout指導(dǎo),可參考)。

一般來說,Buck型DC-DC的輸出紋波應(yīng)該控制在20-30mV以下,而LDO的紋 波則應(yīng)該控制在10mV以下。如果紋波是50Hz或者100Hz有效值波形,則很可能是輸入濾波電容小了;如果紋波是開關(guān)頻率的有效值波形,則可能是輸出 電感或電解電容小了;如果紋波是高頻波形,則可能是反饋電路的元器件參數(shù)不當(dāng),或者是PCB走線不好等造成。

在某些場合,若對紋波要求較高,而輸入輸出壓差又較大,還可以考慮采用DC-DC加LDO的方式供電。

當(dāng)然,以上這些都是針對一般的應(yīng)用而言,如果是更高要求的系統(tǒng),則應(yīng)進行更加全面、深入的考慮和測試。


-END-


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電源系統(tǒng)設(shè)計

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