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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。5 [$ {2 ~/ H# t: B. c
5 _/ o+ Q. L* y) v0 t. O/ A, m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：- u) l: r; |0 V$ t, D- z
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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：0 F" c; M0 ], S# T8 C2 K" r
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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。( i$ M) K! O5 U; l4 f
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( z: N4 M2 g' A图5、5V一侧斩波波形% K% K& J, q2 f5 I
y3 Q* m, d4 b% g8 |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。2 h D# B6 s3 ~$ p
0 y( L/ z8 D' _7 h9 I$ b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。) ~+ N. I* X- V0 `4 q& {8 L/ m
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图6、更换L后5V一侧斩波波形
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& U; W3 `$ @0 b7 d# p9 w Y再次测量各电压纹波如下：/ v7 y- B4 I7 j, Y
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图8、更换L后3.3V电压纹波
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/ g! _% C/ Y5 C" Q0 [% |图10、更换L后1.2V电压纹波
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, A) o% P E& G; Y更换L前各电压的纹波分别为：126mV，65.6mV，49.6mV，39.2mV；
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更换L后各电压的纹波又分别为：32mV，16.8mV，5.6mV，4.8mV。
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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。9 c; W u/ _1 R* R$ k% }
7 G+ y* \& {9 d% V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。
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6 t. [; T% [! {9 {. {纹波偏大的影响：9 P5 q' t" I, b' g$ `
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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
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6 n1 m! W+ J0 [ M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）。7 w: }* b" g3 ^9 I
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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。% E! q. w& v+ j+ R6 B' E
5 c' U P' J# f/ D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。
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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。6 w, D: x! \) {7 S9 j8 H' N. T/ v
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发表于 2022-4-25 09:53
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