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请问为何TPS78228输出的电源纹波很大?如何改进

Other Parts Discussed in Thread: LP5907, TPS7B82-Q1, TPS7A05, TPS782

Hi,FAE工程师

我在穿戴式新产品应用中,采用了TPS78228转换聚合物锂电池的电压到2.8V,前级电路是电池保护和Ti的充电管理芯片电路,后继电路有低功耗CPU、传感器和蓝牙BLE等,系统休眠时,电源几乎没有纹波,但是发现一旦启动工作(大部分时间输出电流0.6~50mA范围内)时,整个电源纹波高达300mV,PCB和Layout设计严格参照官方手册并进行了增强设计。纹波对系统工作稳定性带来了影响。请问如何改善,或者更换一个其他电源ic?附图为部分设计电路和工作电源波形。

谢谢!

1. 原理图

2. 纹波波形长周期

3. 纹波值(300mV)和周期(25~300ms)

  • Hi
    主要注意: Do not place the output capacitor more than 10 mm away from the regulator.
    如果上面提到的没有问题,你可以测试一下这个LDO的输入波形,以及GND波形,或许是GND干扰导致的。
  • Hi, Johnsin

    电源布线没有问题。谢谢!

    测量发现,LDO输出高频纹波主要是因为蓝牙广播开启造成的,其实后端加有不少的电源滤波电容,以及磁珠进行了隔离。低频纹波还在确认中。请问这种情况如何处理?

    1. 蓝牙广播时的LDO输出纹波

    2. 蓝牙打开时 LDO输入端的纹波

    3.蓝牙关闭时LDO输出的电源纹波

  • Hi,

    测纹波的时候示波器接地环路是最小的吗?因为蓝牙广播的时候周围电磁干扰比较大,如果接地环路大,很可能造成干扰,导致看到很大的“纹波”。

  • Hi, Sam

    谢谢。

    还是10x 无源探头(1x下,示波器小档位下不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心),去掉接地夹,对比用弹簧接地探针测量,除了底噪小一点,结果比较相似。

    1.蓝牙开启时,蓝色为普通接地夹无源探头LDO输出;黄色为弹簧接地针输入

    2. .蓝牙关闭时,两种探针的LDO输出对比(尖峰干扰是CPU从休眠恢复到工作时带来的)

    3. 传感器附近滤波电容(0.1uf+100nf)处,用弹簧针测得的电源质量,受到了蓝牙污染较重(蓝色为LDO电源输出信号)

    注:传感器板与主板通过较长的FPC连接

    请不吝解惑!

    Robert

  • Hi,

    输出电压的变化看起来是每隔20多个ms变化一次?有没有可能是因为蓝牙芯片工作消耗电流周期性变化引起的?
    我觉得可以试试输出电容加大一点,比如用一个10uF+0.1uF×2。0.1uF对于应对负载快速变化很重要。
    另外前级的电池保护是用什么实现的呢?
  • Hi, Sam

    输出电压变化的确与蓝牙工作周期一致。下面我按10+0.1*2 uf 测试一下,谢谢!
    前级的电池保护,是用的Xysemi赛芯威的XB6166I2S 单芯片DFN2X2方案,参数:
    - Integrate Advanced Power MOSFET with Equivalent of 45mΩ RSS(ON)
    - Operation Mode: 1.8μ A typ.
    - Power-down Mode: 0.1μ A typ.
  • Hi,

    输入这边的电容最好也换大一点试试。

    另外也可以测一下输入侧电压有没有这样的周期性跌落。如果有的话就不是LDO输出的问题了。。。

    保护芯片是NMOS吗?请查看下NMOS的高边驱动是怎么做的。因为有的高边驱动电路是需要周期性充电的,就会导致输入电压周期性跌落。

  • Hi, Sam

    后级添加10+0.1*2 uf,前级添加10uf 测试结果一致的,纹波和干扰均没有改善。比较奇怪的是下午测试的总是比上午高100mV左右。

    输入侧电压有与后级一致的周期性跌落,但是小很多,前图显示和新测试约只有20mV左右,应该还是和LDO有关系,感觉这个LDO对输出电流比较敏感。

    从原理图来看,应该是高边驱动的NMOSFET。

  • 再次测试市场上常见其它的标准电池保护方案(理工和国产均进行了测试,类似DW01+8255 NMOS ),也得到一致的结果。插上充电电源时,可以减少100mv左右。
  • 亲;首先,建议尝试增大C29/C34容值,比如增大10倍或并电解。如果波形不变,基本可以肯定问题与原理无关,PCB布线出了问题。
    反之,有可能电源内阻偏大或连线太长;也可能PCB敷铜线过窄或过薄。
    方便的话,建议上传线相关PCB部分图片。
  • 是的,可以加大电容看看,只要不影响LDO稳定就行。
  • 谢谢!电源输入线路是比较长,特别是通过了FPC和FPC连接器。

    1. 直接用实验电源3.8v取代电池部分作为主电源,波形效果一样。

    2. 然后用实验电源2.8V直接绕开LDO部分,施加在CPU板,纹波和干扰则消失。

    PCB部分,内层0.5oz,表层1oz,电源走线宽度不低于12mil。

    图为主板电源输入,中间芯片即LDO,因层数比较多,就没有表达完整:

  • 亲,12密尔对电源来说,确实太细了。通常标准是;1盎司敷铜载流密度是1A/40密尔。建议先飞线试试。
  • Hi,  XP

    非常感谢!我以前查到的标准,计算为1oz下,1A/10mil,请见附图1。请问下您的标准来源。

    这个产品的电流最大在100mA以下,所以计算后觉得是够用了。不过,经检查发现,电源进入CPU的的trace有一段因为FPGA限制,只有4mil;飞线只能到达CPU外,所以飞线实测后没有改善效果。

    同样的,另外一个测试板(同样原理,无fpc中间连接,CPU电源线最小宽度达到了10mil)的测量了,存在同样的噪声和纹波。


  • Hi, Sam

    是否可能是驱动电流留的余地不够呢?782是150mA,正常情况下CPU+传感器在50mA峰值,或CPU+LED+其它驱动在80mA峰值。换用LP5907如何,可达250mA,也具有更好的PSRR,只是IQ高了太多。
  • Hi,

    你好,也是有可能的。因为CPU功耗的估计其实很难做到比较精确。。。如果超出LDO负载能力,肯定会引起输出电压下降。看前面描述说蓝牙也是LDO供电的,是不是蓝牙广播的时候LDO负载增大导致的输出电压下降?

    可以先尝试一下在不影响稳定性的情况下加大电容,看看有没有改善。

    可穿戴应用要求Iq尽量比较低吧,大一点负载能力的可以再看看TPS7A05(200mA, 1uA), TPS7B82-Q1(300mA, 3uA).

  • Hi, Sam

    加大电容已经测试没有改善,整个系统负载都是由这个LDO供电的,所以这个可能性现在看来比较大的。当时考虑已经有2倍余量,可能还是不太够,导致输出电压瞬时跌落。TPS7B82-Q1是输出5v,MSOP封装体积比较大了。TPS7A0528看起来比较合适,谢谢建议,已经采购用于测试。
  • TPS7A05似乎是新产品,TPS7A05285PDQNR等封装,国内均没有货源。只好用LP5907先进行测试
  • Hi, Sam

    输出端加一个330uf以上的铝电解电容器,可以把电压波动控制在30mV以内,但是装置没有这样的空间允许。如果换成47uf的钽电容,效果会如何呢?
  • 主要检查信号和地的布线,地要广阔布
  • 使用无感电容低esr的进行滤波
  • Hi,

    感谢XP和Sam等热心帮助!

    更换LP5907后故障纹波完全消失。看来主要原因还是TPS782为了极小的Iq,在比如PSRR、启动时间较慢等某些方面做出了牺牲,以致于受输出干扰较大(手册上这句话很容易被忽略:The TPS782 family is designed to be compatible with
    the TI MSP430 and other similar products.)。以前在TI的demo板上看到LDO后面,加载了一个很大的电感,构成LC滤波,现在也算是明白了其原因。

    前面还怀疑有可能是782只有150mA输出有关。但是实际电路电流都在60mA以下,即使去掉了大负载,只留下CPU的情况下(加上蓝牙工作电流一定在35mA之下),大纹波依然存在。

    再次感谢!

  • 后级加LC滤波就是为了防止后级电路中的噪声干扰,一般加磁珠和电容构成pi滤波对于高频信号的滤波有较好的效果
  • Hi Vental,

    谢谢。如前图所示的后级干扰,π电路的磁珠和电容该如何计算和选择呢?


  • 先观察高频噪声的主要频率段,然后选取该频率段阻抗较高的(百欧姆级别)的磁珠,最后在磁珠两端加上高频滤波电容,电容的取值主要是根据其谐振频率来选定,如噪声是100MHz,那么电容的谐振频率也要取在100~150MHz,然后再反推出电容的取值

  • LDO我后面设计有磁珠和高频电容,只是按经验来选择的。谢谢您的建议,但这个后继电路主要干扰是40hz左右的低频,所以想继续请教如何处理?
  • 低频噪声要看来源,你可以先加大电容试一下,检查是不是因为瞬间过载引起的输出电压跌落
    如果是后级引入的就需要LC滤波了
  • 的确如此!谢谢。

  • 输出2.8V 和GND 到后级时 GND和V2.8都用磁珠滤波;蓝牙的电源管脚附近加大滤波增加100UF 钽电解,去蓝牙的电源加磁珠