[参考译文] TPS54KC23：5V 电源下的线圈呜呜声

嗨、Pablo、  

可以通过切换到 Wurth 电感器来消除可闻噪声、因为该电感器具有更大的物理封装尺寸和更刚性的结构、这很可能减少振动/更低的谐振。 首先尝试替换电感器、然后查看可闻噪声是否消失。

此外、开关节点的外观如何？ 出现噪声时、您是否在跳跃模式或 FCCM 模式下运行？ 如果发生在跳跃模式下、解决方案将在 FCCM 模式下运行。  

谢谢您、
Tomoya

你好、Tomoya、  

我用电感器代替了 Wurth 电感器、噪声仍然存在。 此外、我将一些电容器更改为钽、噪声降低了一点、但从未消失。

我已经使用 TPS54KC23RZR 设计了一个适用于 12V 输入至 5V/20A 输出应用的定制 PCB。 我遇到了转换器级发出的非常响亮、高频的可闻噪声（呜呜声）、该噪声似乎与不稳定有关。

可以通过在输出电容器附近的 PCB 上物理按压来略微抑制噪声、这强烈建议元件产生机械振动。

我的设计详细信息：

• 输入电压：8V 至 16V（标称值为 12V）
• 输出电压：5V
• 最大输出电流：20A
• 开关频率：800kHz（由 R_MSEL 设置）、FCCM 模式、R_MSEL = 5k。  
• 电感器 (L5)：680nH (Laird MGAH1004R68M-10)
• 输出电容：6 x 47µF MLCC（（282µF 标称值）

反馈电阻器：R24 = 88.7k、R25 = 10k

我一直在调查潜在原因、我主要怀疑的是反馈和接地检测连接的实现、尤其是与数据表和 EVM 布局中的建议进行比较时。 错误的反馈检测布局、特别是 GOSNS（引脚 13）的基准方式、可能会导致可闻噪声？

我当前的布局实现（请参阅随附的布局屏幕截图）：

• GOSNS（引脚 13）在本地连接到 IC 附近的主电源接地平面 (PGND)。
• 反馈电阻器 R25 的底部也连接到此本地 PGND。
• FB（引脚 14）和 GOSNS（引脚 13）的反馈布线不会形成连接到负载点的差分对。 这是本地感应配置。

我附上了原理图的屏幕截图、IC 周围的 PCB 布局以及数据表中的参考布局以进行比较。

数据表明确建议：

1. “以差分方式将 VOSNS+和 VOSNS-路由到负载。“
2. “单点 AGND 到 PGND 连接。“

我当前的布局不遵循第一条建议。 我怀疑通过将 GOSNS 连接到本地有噪声的 PGND、会将开关噪声引入反馈环路、从而导致表现为可闻振荡的不稳定。

在继续重新设计 PCB 之前、您能否确认这种错误的 GOSNS 连接是否可能是我所遇到严重可闻噪声的根本原因？ 为了稳定环路并消除干扰、正确的解决方案是否是在最远的输出电容器上实现适当的差分遥感？

感谢您的时间和专业知识。

此致、

图片：  

我们的 PCB

嗨、Pablo、  

单端 Vout 检测也是可以接受的、因此我认为这不是导致可闻噪声的原因。 最终、这取决于输出上存在的纹波量和您使用的元件类型。 PCB 的机械结构也会导致可闻噪声、因为它可能会产生振动。

我怀疑这个问题可能出在输出电容器上。 如果您使用陶瓷电容器、能否提供额定电压并可能提供器件型号？ 直流偏置后、电容可能已显著下降。 您可能需要考虑增加输出电容器的数量以减少输出纹波。 此外、使用较小的输出电容器有助于降低可闻噪声。

查看 VOUT 和 SW 节点的示波器波形会有所帮助、如下所示。 这将有助于我们确定电路是否不稳定。

谢谢您、
Tomoya

尊敬的 Tomoya：

感谢您的意见。 我已经执行了测试、并附上了您请求的波形。

以下是主要发现：

• 电容器：我们使用 6 个 Murata GRM32ER71A476KE15L (47µF、10V、X7R、1210)。 我们注意到 EVM 使用 X6S、但我们无法提供额定电压为 10V 的 X6S 器件、因为可用选项为 6.3V 或更低。
• 重负载 (~80W)：SW 节点明显不稳定、不是周期性的。 ~400mVp-p 时输出纹波较高
• 轻负载 (~8W)：SW 节点变为周期性、可闻噪声低得多。
• 机械测试：
  • 使用支架固定 PCB（以前表面不均匀）可降低噪声。
  • 我们的布局在顶部有 3 个输出电容器、在底部有 3 个输出电容器、彼此直接相对。 移除 3 个底部电容器也会降低噪声。 我们不确定这是机械变化还是输出电容减半导致的电气变化所致。

这些结果提出了以下问题：

1. 导致不稳定的更可能原因是什么：680nH 电感器值过高或有效电容不足？
2. 对于我们的 5V 输出、您是否建议使用更高的量（例如 10-12 个器件）或 16V 或 25V 额定值、而不是 10V？ 或两者？
3. 关于机械测试：我们顶层和底层的电容器彼此直接相对的特定布局是否会放大 PCB 上的可闻噪声？

感谢您的指导。

此致、

Santiago S.和 Pablo P.  

图片：  

尊敬的 Pablo 和 Santiago：

导致不稳定的更可能原因是什么：680nH 电感器值过高或有效电容不足？

您能测量波特图吗？ 相位裕度可能太低、这可能会导致不稳定。 尝试切换到 RAMP2 或 RAMP4 以查看这是否可解决不稳定问题。

对于我们的 5V 输出、您建议使用更高数量（例如 10-12 个器件）或 16V 或 25V 额定值、而不是 10V 电压？ 或两者兼而有之？

我认为您的电流设置是可以接受的、但使用更小的电容器尺寸（例如 0805 而非 1210）有助于降低可闻噪声。

关于我们的机械测试：我们的特定布局（顶层和底层的电容器彼此直接相对）能否放大 PCB 上的可闻噪声？

我不熟悉这个特定问题、但您可以联系电容器制造商以获取更多信息。

我认为第一步应该解决不稳定性问题、因为这样做也可能解决可闻噪声问题。

谢谢您、
Tomoya

你好 Tomoya！！  

非常感谢您的建议、我们将实施本次对话所学的所有内容。 我能够将 MSEL 更改为 30.1k、从而将开关频率设置为 1400kHz 并使用 RAMP4。 这即使在高负载 (80W) 下也能消除噪音。  

此配置对我们是否有效？ 我们的纹波现在看起来像这样：  



此致、