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[参考译文] LM5148:大于预期的输出电压纹波。

Guru**** 2380170 points
Other Parts Discussed in Thread: CSD18514Q5A, LM5148, CSD18531Q5A
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https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1459282/lm5148-larger-than-expected-output-voltage-ripple

器件型号:LM5148
主题中讨论的其他器件: CSD18531Q5A、CSD18514Q5A

工具与软件:

您好、TI 社区:

LM5148降压转换器电路遇到一些意外行为、希望能得到一些指导。

设计概述:

  • 输入电压范围: ~22V–30V
  • 输出电压: ~24V
  • 开关频率:  ~650kHz
  • 电感器尺寸: 6.8µH (XAL1010-682MEB)
  • 标称负载电流(I_nom): 1A
  • 最小负载电流(I_MIN): 40mA
  • 最大负载电流(I_max): 10a
  • 输出电容:  60 μ F

可以在此处找到相当代表系统的 Webench 链接: Webench Link

该电路为下游开关稳压器供电、这可能会导致该问题。

问题1:输出纹波过大
我观察到的输出电压纹波约为800mV、远高于设计预测的~10mV。  波形如下图所示:

这是在系统负载~1A、V_IN ~29V 的情况下完成的。

问题2:高频噪音
在较大的负载电流下、尤其是当电路进入低压降模式时、我会听到电路板发出高频噪声。 我不确定这是否与第一个问题有关

目前已采取的故障排除步骤:

  1. 验证元件是否与 LM5148数据表和设计指南中的计算值相匹配。
  2. 检查 PCB 布局是否存在明显的问题(例如接地不良、布线长)、但我不确定布局是否完美。

问题:

  1. 什么可能导致过大的输出纹波?  
  2. 高频噪音是否指向特定问题?
  3. 我是否应该进行特定的测量或应重点关注哪些组件来确定根本原因?

非常感谢您提供任何见解、建议或调试技巧! 感谢您的时间和专业知识。

此致、
Michael

webench.ti.com/.../SDP.cgi

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    您好、Michael:

    链接无法正常工作。 这可能是不稳定性。 我建议您完成快速入门计算器(可从产品文件夹下载)、将交叉频率设置为 FSW 的10-12%(最大值为100kHz)、并确保输入陶瓷 Cout 的降额值与电压。

    此致、

    TIM

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    对、我可以看到、陶瓷电容器的降额没有正确。 我的输出电容接近10uF。 这是否会导致图像中出现的行为?

    如果是、我要测试的两个选项是:

    1.增大实际的降额电容以匹配60 μ F、使补偿网络正确。

    2.将我的补偿网络修改为预期的10uF。

    是这样吗?

    链接: webench.ti.com/.../SDP.cgi  

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    Michael、您好!

    是的、您可以执行一个或两个操作。  此外、降额应约为~30uF (或更小)、对于 X7R 陶瓷电容器、不是10uF。   

    希望这对您有所帮助、

    David /

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    嗨、David、

    我当时使用的是 X5R 电容器、因此我认为电容器的降额会略高。 无论哪种方法、我都添加了符合规格的聚合物电容器、问题得以解决! 非常感谢您的帮助。

    但我遇到了另一个相关问题:在24V-25V 范围内运行时、就在电感器进入脉冲跳跃模式之前、电感器会发出尖叫。 这伴随着在示波器上观察到一些不稳定情况。 高于和低于这些电压时、系统按预期运行。 遗憾的是、在我们的应用中、电路板将需要在此电压范围内工作。

    第一、这个问题是否足够相关、还是应该在论坛上提出一个新的问题?

    这个令人尖叫的噪声是否可能导致电路板出现实际问题?

    是否有任何方法可以降低这种噪声/不稳定性、例如通过选择元件或将其配置为更早地进入脉冲跳跃模式?

    此致、

    Michael

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    Michael、您好!

    无需打开新主题帖。  尖叫绝不是一件好事;表明您仍在处理可闻范围内的不稳定问题。  需要解决这个问题。

    请填写计算器电子表格 (可从产品文件夹下载)并随您的设计实现情况一起发布在此处。

    谢谢你。

    David。  

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    嗨、David、

    请查看随附的 PCB 和原理图布局以及填充的计算器。 (作为参考、我在设计电路之前填写了该计算器)。  

    图中未显示新添加的电容器、而是在 VOUT 和 GND 测试点之间连接一个47uF 电容器。  

    降额电容值估计为24V 时标称值的~15%。

    关键元件选型

    电感器: XAL1010-682MEB

    MH1: CSD18531Q5A

    ML1: CSD18514Q5A

    VOUT 电容器(新): RPA0808470M050K

    e2e.ti.com/.../forum_5F00_post.zip

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    Michael、您好!

    我快速地看了一下,然后几个东西就跳出来了。

    1.输入电容位于低侧。  保守地建议至少3 x 10uF 以满足输入级的纹波电流要求、2 x 10uF 或许可以...

    2.在运行高占空比时需要选择建议的正确电感值。  根据计算器、您应该为您的规格选择大约8.2uH。

    3.检查你是否没有在掉出模式,也就是说转换器的频率在下降,以调节 VOUT。  这是正常行为、但在该区域将发生频率折返。   

    4.检查您是否没有使用电流限制?  负载电流小于10A 时是否会发生这种情况、如果启用 Ilimit、可能需要降低 Rsense 并重新选择 Lbuck、或者可以略微调整频率。

    不确定您使用的计算器版本、请参阅随附的插入了规格的计算器。  希望这对您有所帮助。

    e2e.ti.com/.../LM5148_5F00_LM25148_5F00_quickstart_5F00_calculator_5F00_A4-e2e.xlsm

    David。

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    嗨、David、

    这是降额电容。 我在输入端有4个10uF 电容器、但它们是 X5R、因此不具有良好的降额性能。 但我可以添加更多内容。

    2.根据 Webench 输出选择电感值。 您是否认为电感差异会导致24V 至25V 电压之间的不稳定?

    3.我认为这是关于掉出模式的转换点,(这就是我之前的脉冲跳跃的意思)。 是否有办法测试它是否进入中断模式?  

    这是在整个电流范围内发生的。 我还没有在3A 以上对其进行测试、因为不稳定情况变得更糟。

    我怀疑这种行为与转换到压降模式相关、但我针对此芯片(设置为12V)测试了 EVM 板、当然在转换过程中没有观察到任何不稳定。  

    感谢您更新计算器! 但是、我不能很清楚计算器的输出之间的差异...

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    Michael、您好!  

    请在下方查看我的回复。  谢谢。

    1.哦,好的,如果你有4 x 10uF 的 CIN,这是可以的。

    2.按照计算器电子表格中的建议操作、以确保稳定性。

    3.是的,注意降低频率,这是频率折返以保持 VOUT 调节的点。

    4、这排除了我们正在进行电流限制,感谢您的确认。

    5.看 LBUCK 值,它略有不同,你可以改变 Rsense 调制建议的 LBUCK 到你需要的,不是较低的 Rsense 需要较高的 ISAT 为 LBUCK。

    David。

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    3.进入频率折返时,如果出现这种情况,有什么含义? 因此、我会在我的设计中更改什么?

    5.您认为数值的微小差异会导致这种特定的不稳定吗?

    我使用的值都是基于 Webench 输出的、为什么您认为这些结果是不同的?

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    Michael、您好!

    这并不意味着、它会在输出端产生更高的纹波电压。

    对于非常高的占空比、如果不接近建议值、可能会导致不稳定。  请重新调整 Rsense 以调整建议的电感器值、并将该值排除或排除、这是导致您出现问题的原因、谢谢。

    希望这对您有所帮助、

    David。

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    嗨、David、

    根据计算器的建议、我设法将电感值换成8.2uH。 在预期值添加一个47 μ F 聚合物电容器以及添加补偿元件、性能有所提高、但仍然存在一些不稳定情况。  

    我测试了对脉冲负载的响应。 它清楚地显示了中间电压范围内的不稳定性。

    我还测试了整个电压范围内的开关频率。  

    这些测试生成的图像随附在后。

    e2e.ti.com/.../Response_5F00_Photos.zip

    如有任何帮助、将不胜感激。 我是只需要继续调节补偿网络、还是这里有其他情况?

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    Michael、您好!

    您能否分享测试后更新的原理图?  我看到开关节点上的振铃应该是平坦且等于 VIN、请分享您的原理图我对输入级特别感兴趣。

    谢谢。

    David。

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    e2e.ti.com/.../buck_2D00_converter_2D00_24v.pdf

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    Michael、您好!

    此处提供了一些可能有用的反馈。

    1.检查输入电缆,如果使用长输入电缆,使用大容量电解电容器作为测试,通过长电缆引起 Parrell 阻尼输入阻抗。  确保有100'R 的 ESR 有助于抑制。

    2.在电流检测的输入引脚处放置50 Ω 和33pF RC 滤波器、以便滤除电流检测信号中的噪声。

    3.将 Rcomp 和 Comp 降低到10k 和22nF 以降低 Fc、从而有助于提高噪声敏感性。

    如果上述设置仍然不起作用、需要查看布局。

    谢谢。

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    嗨、David、

    我按顺序进行了您建议的更改、稳定性没有提高。

    1.在 VIN 两端添加220uF 电容器。 该电容器的 ESR、但它是典型的电解电容器、因此我会将其放在0.5和1Ω 之间。 没有可测量的差异。

    2.我不确定 RC 滤波器应该放置在什么位置、因此可能我没有正确放置它。 小改进、但没有解决。

    3.减少 Rcomp 和 Ccomp :我不确定它是应该是0.22nF 还是22nF ,所以我尝试了两者。 稳定性均低于1nF。

    查看随附的最终原理图。

    e2e.ti.com/.../7875.buck_2D00_converter_2D00_24v.pdf

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    Michael、您好!

    让我们检查您的布局。

    谢谢。

    David。

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    可以在前面的 zip 文件中找到 PCB 布局文件。 您是否需要其他产品?

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    Michael、您好!

    布局对我来说是可以的、从我可以告诉您让输入电容器靠近功率级 FET、本可以使用更多过孔来教训阻抗、到内部布局1 (假设其 GND 层主要是实心覆铜)。  将电流检测反馈与器件进行差分、并将 AGND 连接到器件、模拟元件端接至覆铜。  电容器和 FET 方面有什么改进?

    再回顾电流检测反馈、RC 滤波器应该按如下所示由器件连接。   

    以下原因导致的不稳定性。

    1.补偿看起来我们排除了这个,从 Calc 你应该是稳定的。

    2. uInput 滤波器阻尼/与环路相互作用,看起来您排除了 EST ~0.5欧姆。

    3.噪声,布局看起来不错, Rsense,很可能是感应的,长而薄的 Rsense 通常具有高的寄生,需要用 RC 来阻尼。  逐个器件尝试50欧姆和33pF、如果情况有所改善、请告诉我。  

    另一种方法是对您的元件进行 EVM 修改并在其中进行测试、从而使您确信设计应该可行...

    还请注意、在压降过程中、您会得到频率折返并且这可能在可闻范围内、但是、假设我们在正常运行期间具有不稳定性、应该不会不稳定、对吧?   

    希望这对您有所帮助、

    David。

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    嗨、David、

    感谢您的浏览和所有反馈、非常渴望了解这些问题的底部!

    -2. 您正确地说、两个内层都是 GND 覆铜、您是否认为可以有更多的过孔? 它们目前缝合在2.5mm 间距处。

    -1. 我对 AGND 注释有点困惑、这里有问题吗、或者您是说设计良好吗?

    0、FET 直接取自 WEBENCH 的设计建议。 Cin 电容存在与输出电容相同的降额问题、但仍应高于最小值。 不过、这肯定可以改进

    1、正确,当我们偏离计算时,它似乎变得不太稳定

    2.我们所测试的 ESR 并不确切,但我们想要的是0.5Ω 吗? 我们可能需要的大容量电容的 AMOUT 是否有任何限制?还是仅仅考虑成本/空间?

    3.我曾尝试添加这个 RC 滤波器,有一个小改进,但它只是小. 不幸的是、我受到限制、无法离引脚有多近

    4.我已经在 EVM 上考虑过这一点、但是输入陶瓷电容的额定值只能达到25V、而且我担心会损坏电路板。 我已经在高负载电流下测试了该模块上的压降交叉点、并且在该区域中未出现不稳定情况  

    5.这个问题我不太明白、但是在24-25V 范围之外运行是相当稳定的、没有可闻噪声。 在较高的负载下、超出该范围时会更加不稳定。

    我计划根据所有这些反馈再制造一个电路板、因此、非常感谢数据表中已提供的任何提示!

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    Michael、您好!

    答案如下。

    -1. 否、没有问题、操作正确。

    0. Cin 阻尼更重要-所以检查 ESR。  最小 CIN、由于降额不是问题、大多数清晰的是 RMS 纹波电流额定值、但这不应影响稳定性、阻尼将会影响。  我想到的一点是、即下降、输入纹波是否巨大?  这是什么?

    2.只需是 CIN Cermaic 值的4倍,这足以提供阻尼。

    3、理解,但为了达到最大效果,需要靠近引脚。

    4.您可以试用 LM5149Q1 EVM、请考虑订购。

    LM5149-Q1EVM-400评估板|德州仪器 TI.com

    5.我认为这回答了我的问题,这是说你有不稳定的正常 VIN 也。  在尝试以压降模式运行之前、需要解决此问题。

    谢谢。

    David。

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    设法测试输入电压纹波。

    在>26V 范围内、它非常大:>3Vp-p

    在24-26V 频率折返范围中、得到的较小、但并非周期性:2-3Vp-p

    在压降模式下、如果低于24V、则会变得非常小:<300mVp-p

    请注意、这没有添加输入电容器。

    我还测量遵循类似模式的输入电流纹波

    在大于26V 的范围内、它最大:>4Ap-p

    在24-26V 范围内、它变得更小、但看起来不稳定:2-4Ap-p

    低于24V 会变得非常小:<402-p. 300mA

    请查看随附的图像

    e2e.ti.com/.../Input_5F00_Current_5F00_Ripple.zipe2e.ti.com/.../Input_5F00_Voltage_5F00_Ripple.zip

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    我希望设计第二次电路板迭代、以测试其中的一些改进。 我想总结一下我们在这里发现的内容、以便仔细检查我是否掌握了所有可以改进的地方。

    1.确保所有值都尽可能与快速入门计算器匹配。

    2.提高电感以实现更好的高占空比性能(我打算使用15uH 的电感器)

    3.在输出端使用聚合物电容器,并确保陶瓷电容器适当降额

    4.在电流检测线路上添加 RC 滤波器以降低噪声

    5.添加一些具有~0.5欧姆 ESR 的大容量输入电容(这是目标还是应该目标更高或更低?)

    还有什么我应该考虑的吗?

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    Michael、您好!

    这里不确定输入纹波是否有用、请查看开关和 VOUT 纹波来直接展示转换器的功能。

    David。

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    Michael、您好!

    1.正确。

    2.需要匹配建议值,以确保不会在占空比>0.5时出现不稳定

    3.好的

    4.正确。

    5.正确。

    请严格遵循数据表中的建议布局说明。  这与选择正确的元件同样重要。

    希望这有助于

    David。

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    抱歉、这是为了回答您有关输入纹波的问题。

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    Michael、您好!

    我看到、输入纹波电压是压降还是正常运行?  看起来很大、看起来不稳定。  是使用阻尼电容器获得的吗?

    David。

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    纹波电压是在正常工作的整个电压范围内获取的、从频率折返到压降、详细信息列于注释中。  

    这是在没有阻尼电容器的情况下获得的。

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    Michael、您好!

    是的,它肯定看起来是没有减振帽,因此我对不稳定的评论。

    谢谢!

    David。