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[参考译文] TPS61022:添加前馈电容器有助于减少 SW 节点尖峰(停止对 IC 的损坏)、但负载调节不佳。

Guru**** 2444900 points
Other Parts Discussed in Thread: TPS61022

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/1301687/tps61022-adding-feed-forward-capacitor-helps-to-reduce-sw-node-spikes-damage-to-ic-stopped-but-poor-load-regulation

器件型号:TPS61022

我们在一个新设计中使用了 TPS61022将3.3V 电源升压至5V (峰值为2.5A、典型值为0.6A)。

10个原型板中有4个(第1个原型板)上的 TPS61022 IC 上电时失败、即通过 GND 引脚发现 SW 节点短路。 有时、它只能运行几次下电上电、然后突然发现出现故障。 6块板工作正常。 在此测试期间、输入源为3.3V 限流直流电源。 我们使用此电源为一个 SOM 模块供电、根据他们的建议设计、我们   在输出(+5V 电源轨)处总共有8个并联(分布在整个板上)的47uF (X7R 10V 陶瓷)电容。



我们还遵循了正确的布局建议。


从数据表中、我们发现、建议将前馈电容器(我们设计中的 C1)用于>40uF 的输出电容器设计。 然后我们添加了 1.5nF 作为前馈电容器连接到我们的所有板和 在此之前未观察到故障 。 从数据表公式得出1.5nF 的值。 此时我们得到电阻分压器值 Rupper - 49.9k、Rlower - 6.8k、如原理图削减中所示。
但是、当我们安装 SOM 模块时(即施加的负载)、输出电压下降了。 它几乎是 400 -500mA 负载电流下为4.65V 。 输出电压会随负载而变化。  您能否解释一下 为何添加 CFF 后会出现这种现象? 注意: 我们还尝试了不同的输入源(即6A 电流限制直流电源和可提供3A 电流的电源板3.3V)。 此外、我们也尝试了 PFM 和 PWM 模式(MODE 引脚低电平和高电平)、结果似乎相同。 我们现在将使用 PWM 模式、即 MODE 引脚高电平)。

现在、我们开始使用 C1 (前馈)值。 我们尝试了1nF 到100pF、发现在相同的负载(400 -500mA)下输出压降降至4.85V (C1 = 100pF)。 这是可以的、但如果我们的负载电流随处理器应用负载增加、则可能会出现问题。

现在、为了减少前馈电容器的影响、我们将电阻分压器值降低到相同的侧保持比值。 我们使用了 Rupper - 8.25k 和 Rlower - 1.1k、Cff = 100pf。 在相同的负载电流(400 -500mA)下、这有助于解决问题。 负载调节为大约2%(5.08V 提供5V 电压)。 不过、它在增加负载时会下降。 那么、不确定如何选择 Cff。

需要某人帮助以了解如何选择 CFF 和了解现象、从而让我们有信心最终确定设计。 或者、您是否建议对设计进行任何更改?  非常感谢您尽早作出响应。

  • 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。

    Jaimin、您好!

    感谢您向我们提供详细信息。

    原理图和布局、我们有几项建议,

     建议使用22uF 而不是47uF 的输出电容器、因为47uF 陶瓷电容器的自谐振频率一般接近1MHz、TPS61022开关频率也是1MHz。 这可能会增加输出电压纹波。

    2.请将输出电容尽量靠近 IC 的 VOUT 和 GND 引脚放置,这对 IC 来说是最重要的,在目前的布局中仍有很大的间隙, 这也是造成损坏的原因、因为较大的间隙将引入较大的寄生电感、然后导致高尖峰。

    3.我们建议添加一个~50欧姆的电阻与前馈电容器 C1串联、这可以降低 FB 引脚上的可能噪声。 这有助于解决负载调节问题。

    [quote userid="555350" url="~/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1301687/tps61022-adding-feed-forward-capacitor-helps-to-reduce-sw-node-spikes-damage-to-ic-stopped-but-poor-load-regulation 通过数据表,我们发现前馈电容器(C1)推荐用于>40uF 的输出电容器设计

    40uF 是有效电容、而不是标称电容。 您可以使用 TI.com 中的 TPS61022计算工具来检查环路稳定性、以便可以选择合适的前馈电容器。

    https://www.ti.com/product/TPS61022?keyMatch=TPS61022&tisearch=search-everything&usecase=GPN-ALT

    如果您还有其他问题、请告诉我。

    此致、

    内森

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    谢谢 Nathan。

    我们正在确认这些建议。 我将在完成后向您提供最新信息。

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    很好,Jaimin。 等待您的反馈。

    此致、

    内森

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    观察结果与以下值相同。

    将所有输出电容器更改为22uF 而不是47uF (即22uF * 8 + 4.7uF * 4 + 10uF = 206uF、5V 时的有效电容为206uF * 0.55 = 115uF)。
    根据计算结果、电容值高于所需的23uF。
    电阻分压器- 49.9K (上部)和6.8k (下部)、Cff = 470pF (根据该计算器 Excel 计算得出)+ 47Ω 串联、IC 处于 PWM 模式。

    输出电压随负载而变化-大约4.75V @ 800mA 负载。  

    一个奇怪的现象是、在-200mA 负载 电压输出纹波增加至150-200mV (几乎不稳定)、而在高于~Ω 300mA 负载时、该纹波明显下降。

    这可以看作 电容器的 SRF 吗?

    47uF 电容器 SRF:

    22uF 电容器 SRF:

    请建议您的想法? 应该将输出电容器更改为10uF?

    现在、我正在尝试减小电阻分压器值、以便将 Cff 的影响降至最低。

  • 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。

    Jaimin、您好!

    您能否分享这种不稳定条件下的波形? 如 VIN、VOUT、SW 波形和电感器电流。 谢谢。

    一个奇怪的现象是,-200mA 负载 电压输出纹波增加至150-200mV (几乎不稳定),而在高于~Ω 300mA 负载时,该纹波会显著下降。

    此致、

    内森

  • 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。

    当以上述相同的配置将电容器添加到远靠近 U1 IC 的位置时(输出电容器设置为22uF 而不是47uF (即22uF * 8 + 4.7uF * 4 + 10uF = 206uF、5V 时的有效电容为206uF * 0.55 = 115uF)。
    电阻分压器- 49.9K (上部)和6.8k (下部)、Cff = 470pF (根据该计算器 Excel 计算得出)+ 47Ω 串联、IC 处于 PWM 模式。

    更高纹波的问题在0.8-0.9安的负载下出现。 在0.6A 负载下、输出电压为4.96V (纹波< 20mV)、在0.8和0.9A 负载下、输出电压降至4.84V、纹波较高、约为200mV;在1A 下、输出电压为4.95V、纹波为20-30mV (稳定)。

    下面是出现高纹波时的波形。  黄色是3.3V 输入、绿色是输出 V、蓝色是 SW 节点引脚。 相同的纹波在输入电压中重复出现。  我们已 尝试 将 输入源从我们的系统 电源更改为外部直流电源(6安电流限制)。 也在输入端添加了大容量电容器。 但观察结果相同。



    然后,
    我们已使用相同的全部22uF 输出电容(115uF 有效总电容)进行迭代、将电阻分压器值降低至 8.25k + 1.1k ,Cff = 3.3nF + 47Ω。
    正常工作。  在所有负载条件下均具有<20mV 的纹波。 1A 负载下的负载调节为2-3%…… 我们已在两个板中检查了相同的 
    配置、并考虑继续使用此配置。



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    Jaimin、您好!

    现在似乎没有问题、如果您有更多问题、请告诉我。

    此致、

    内森