FPGA系統(tǒng)中的電源紋波調(diào)試方案

在某FPGA系統(tǒng)中，對電源系統(tǒng)進行調(diào)試，在同樣的測試條件下，發(fā)現(xiàn)其中有一塊板相對其它的板功耗總偏大，進而對其進行調(diào)試分析。

在該系統(tǒng)中，輸入電壓為DC12V，輸出電壓有：5V、3.3V、2.5V和1.2V，綜合考慮電源紋波和轉(zhuǎn)換效率，在該系統(tǒng)中采用了DC-DC和LDO，基本框圖如下所示：

該DC-DC為雙路輸出（5V和3.3V）。這里，功率電感的大小選擇為10uH。以下是對各輸出電壓所進行的紋波測試，波形如下：

由以上可以看出，各電壓的紋波相當大，再次測試5V一側(cè)的斬波波形，如下圖。

圖5、5V一側(cè)斬波波形

從圖中可以看出，該斬波波形是較差的。在FPGA系統(tǒng)中則會表現(xiàn)為：整個系統(tǒng)電流偏大，進而影響功耗偏大。

因此，這里重點考慮DC-DC外圍元件的參數(shù)選擇不合理。首先從功率電感入手，將其由10uH加大到15uH，再次進行測試。更換功率電感后的斬波波形如下，得到了較大改善。

圖6、更換L后5V一側(cè)斬波波形

再次測量各電壓紋波如下：

圖8、更換L后3.3V電壓紋波

圖10、更換L后1.2V電壓紋波

更換L前各電壓的紋波分別為：126mV，65.6mV，49.6mV，39.2mV；

更換L后各電壓的紋波又分別為：32mV，16.8mV，5.6mV，4.8mV。

從以上可以看出，各電壓紋波對得到了較大的改善。繼續(xù)對電路進行改進，加大去耦電容，經(jīng)測試，紋波再一次得到了減小，不過作用并不是太明顯。

分析：若DC-DC的紋波較大，則會直接影響其轉(zhuǎn)換效率，進而造成一些不必要的能量浪費，使整個系統(tǒng)的功耗偏大。

紋波偏大的影響：

紋波過大會引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，發(fā)熱量偏高等。長期的工作不穩(wěn)定還可能造成芯片功能下降或損壞

總 結(jié)：功率電感對于DC-DC的影響是極大的，在實際的DC-DC電源調(diào)試過程中，如果發(fā)現(xiàn)輸出紋波較大，可以先測試一下其斬波波形，并首先嘗試改變一下功 率電感的參數(shù)（應盡量滿足芯片手冊給出的要求），增大電源濾波電容等；紋波大還有可能是PCB走線不合理造成，所以在PCB的設計過程中也要引起重視（一 般在芯片手冊中都有Layout指導，可參考）。

一般來說，Buck型DC-DC的輸出紋波應該控制在20-30mV以下，而LDO的紋 波則應該控制在10mV以下。如果紋波是50Hz或者100Hz有效值波形，則很可能是輸入濾波電容小了；如果紋波是開關頻率的有效值波形，則可能是輸出 電感或電解電容小了；如果紋波是高頻波形，則可能是反饋電路的元器件參數(shù)不當，或者是PCB走線不好等造成。

在某些場合，若對紋波要求較高，而輸入輸出壓差又較大，還可以考慮采用DC-DC加LDO的方式供電。

當然，以上這些都是針對一般的應用而言，如果是更高要求的系統(tǒng)，則應進行更加全面、深入的考慮和測試。