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[参考译文] TPS54KC23:5V 电源下的线圈呜呜声

Guru**** 2455560 points


请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1539964/tps54kc23-coil-whine-in-a-5v-power-supply

器件型号:TPS54KC23


工具/软件:

我们正在设计一个电源、并发现了严重的线圈呜呜声。 在仔细评估我们的设计后、我们意识到与评估板有两个差异:  

1.我们没有使 FB/GOSNS 具有差分对轨。  



2.我们替换了 L2 电阻器  

适用于:  
https://www.mouser.es/ProductDetail/Laird-Technologies/MGAH1004R68M-10?qs=By6Nw2ByBD3aICw2fHmD2Q%3D%3D


我们正在重新设计电路板、我们将纠正这两个问题。 假设线圈呜呜声来自其中一个(或两个)问题是安全的吗?  

此致、  

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    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

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    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


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    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

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    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:  



  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    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

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    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、  

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    嗨、Pablo、

    此配置对我们是否有效? [/报价]

    是的、如果您愿意使用更高的开关频率、这是一个有效的选项。  

    谢谢您、
    Tomoya