在某FPGA系統中,對電源系統進行調試,在同樣的測試條件下,發現其中有一塊板相對其它的板功耗總偏大,進而對其進行調試分析。
在該系統中,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換效率,在該系統中采用了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:
由以上可以看出,各電壓的紋波相當大,再次測試5V一側的斬波波形,如下圖。
圖5、5V一側斬波波形
從圖中可以看出,該斬波波形是較差的。在FPGA系統中則會表現為:整個系統電流偏大,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一側斬波波形
再次測量各電壓紋波如下:
圖8、更換L后3.3V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。繼續對電路進行改進,加大去耦電容,經測試,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,則會直接影響其轉換效率,進而造成一些不必要的能量浪費,使整個系統的功耗偏大。
紋波偏大的影響:
紋波過大會引起系統工作不穩定,發熱量偏高等。長期的工作不穩定還可能造成芯片功能下降或損壞
總 結:功率電感對于DC-DC的影響是極大的,在實際的DC-DC電源調試過程中,如果發現輸出紋波較大,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(應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的設計過程中也要引起重視(一 般在芯片手冊中都有Layout指導,可參考)。
一般來說,Buck型DC-DC的輸出紋波應該控制在20-30mV以下,而LDO的紋 波則應該控制在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不當,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。
當然,以上這些都是針對一般的應用而言,如果是更高要求的系統,則應進行更加全面、深入的考慮和測試。
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