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电源纹波调试，这样做就行了！



在某FPGA系统中 ， 对电源系统进行调试 ， 在同样的测试条件下 ， 发现其中有一块板相对其它的板功耗总偏大 ， 进而对其进行调试分析 。

在该系统中 ， 输入电压为DC12V ， 输出电压有：5V、3.3V、2.5V和1.2V ， 综合考虑电源纹波和转换效率 ， 在该系统中采用了DC-DC和LDO ， 基本框图如下所示：


该DC-DC为双路输出（5V和3.3V） 。这里 ， 功率电感的大小选择为10uH 。以下是对各输出电压所进行的纹波测试 ， 波形如下：


图1、5V电压纹波

图2、3.3V电压纹波

图3、2.5V电压纹波

图4、1.2V电压纹波
由以上可以看出 ， 各电压的纹波相当大 ， 再次测试5V一侧的斩波波形 ， 如下图 。


图5、5V一侧斩波波形
从图中可以看出 ， 该斩波波形是较差的 。在FPGA系统中则会表现为：整个系统电流偏大 ， 进而影响功耗偏大 。

因此 ， 这里重点考虑DC-DC外围元件的参数选择不合理 。首先从功率电感入手 ， 将其由10uH加大到15uH ， 再次进行测试 。更换功率电感后的斩波波形如下 ， 得到了较大改善 。


图6、更换L后5V一侧斩波波形

再次测量各电压纹波如下：

图7、更换L后5V电压纹波


图8、更换L后3.3V电压纹波


图9、更换L后2.5V电压纹波

图10、更换L后1.2V电压纹波


更换L前各电压的纹波分别为：126mV ， 65.6mV ， 49.6mV ， 39.2mV；
更换L后各电压的纹波又分别为：32mV ， 16.8mV ， 5.6mV ， 4.8mV 。

从以上可以看出 ， 各电压纹波对得到了较大的改善 。继续对电路进行改进 ， 加大去耦电容 ， 经测试 ， 纹波再一次得到了减小 ， 不过作用并不是太明显 。

分析：若DC-DC的纹波较大 ， 则会直接影响其转换效率 ， 进而造成一些不必要的能量浪费 ， 使整个系统的功耗偏大 。

纹波偏大的影响：

纹波过大会引起系统工作不稳定 ， 发热量偏高等 。长期的工作不稳定还可能造成芯片功能下降或损坏

总 结：功率电感对于DC-DC的影响是极大的 ， 在实际的DC-DC电源调试过程中 ， 如果发现输出纹波较大 ， 可以先测试一下其斩波波形 ， 并首先尝试改变一下功 率电感的参数（应尽量满足芯片手册给出的要求） ， 增大电源滤波电容等；纹波大还有可能是PCB走线不合理造成 ， 所以在PCB的设计过程中也要引起重视（一 般在芯片手册中都有Layout指导 ， 可参考） 。

一般来说 ， Buck型DC-DC的输出纹波应该控制在20-30mV以下 ， 而LDO的纹 波则应该控制在10mV以下 。如果纹波是50Hz或者100Hz有效值波形 ， 则很可能是输入滤波电容小了；如果纹波是开关频率的有效值波形 ， 则可能是输出 电感或电解电容小了；如果纹波是高频波形 ， 则可能是反馈电路的元器件参数不当 ， 或者是PCB走线不好等造成 。

在某些场合 ， 若对纹波要求较高 ， 而输入输出压差又较大 ， 还可以考虑采用DC-DC加LDO的方式供电 。

当然 ， 以上这些都是针对一般的应用而言 ， 如果是更高要求的系统 ， 则应进行更加全面、深入的考虑和测试 。

-END-


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