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TPS51315输出电压纹波太大了!

时间:10-02 整理:3721RD 点击:

我用TPS51315将+5V电压稳到+3.3V,之前先用直流电源实际测了一下+3.3V的工作电流,大约800mA。然后焊上芯片,发现+3.3V输出电压纹波有200mV。我的输出电压直接接负载,没有再二次稳压。请问:

1、当输出电流远小于TPS51315的最大输出电流(10A)时,能否使用这个芯片?

2、如果可以使用,是不是我的接法有问题?我的R161没有焊,L16取的是3.3uH。

3、如果接法没有问题,是否我的电容或电感的取值不好?

请按照数据手册所述选取输出电容,尤其是要满足ESR参数。

Hi

   1. 当输出电流远小于10A,例如你的0.8A, 依然可以用这个芯片。但是实际上如果你的应用电流比较小,可以选择一些较小封装的芯片更为适合。

   2. 对于你原有的设计可能没有问题,在更换电感后,以及较小的输出电流时,建议你按照datasheet中的方法重新评估输出电容以及补偿环路,这个是造成纹波较大的原因.

 

Hi

   另外这个芯片提供了wenench仿真,见官网: http://www.ti.com.cn/product/cn/tps51315 

   你可以参考一下软件仿真的参数,注意D-CAP™ Mode下的输出电容选择要求。

sheng liu

我用TPS51315将+5V电压稳到+3.3V,之前先用直流电源实际测了一下+3.3V的工作电流,大约800mA。然后焊上芯片,发现+3.3V输出电压纹波有200mV。我的输出电压直接接负载,没有再二次稳压。请问:

1、当输出电流远小于TPS51315的最大输出电流(10A)时,能否使用这个芯片?

2、如果可以使用,是不是我的接法有问题?我的R161没有焊,L16取的是3.3uH。

3、如果接法没有问题,是否我的电容或电感的取值不好?

首先指出你这个设计中几点不合理的地方:

1. 选用12V,10A的芯片来实现5V-->3.3V/0.8A,太over design.  5V往下转的芯片一大把,为什么一定要选择12V,10A的part?你这么小的电流0.8A,从成本,效率,占板面积方面设计难度上来讲,我甚至建议你选着1A或者1.5A的LDO来做,如果你觉得效率不够高,还有很多高频的DCDC可供选择,比如TPS51312(900kHz),TPS53312等。

2. 即使你选了TPS51315,你的设计步骤也是错的,TPS51315是D-CAP的控制模式,需要一定的ESR(POSCAP,OSCAP,甚至电解电容)才能稳定工作,不是随便选一个10uF 的陶瓷电容就能工作。TPS51315的频率那么低(R168选294kohm,工作频率只有200多kHz),即使电感选3.3uH,输出电容起码选到100uF以上。如果你坚持要用ESR很低的MLCC电容,你也要按照Datasheet,图29那样设计补偿回路。

下次遇到类似的需求,我建议你先去TI官网选型。如果你比较懒,就到论坛上来提问,把你的需求提出来:

输入输出电压,最大负载电流,有没有空间限制,工作频率多少,论坛里一大堆人可以帮助你选型,也不用等到PCB做出来了,电路焊好了遇到问题才来提问。

建议用TPS5403来做,电路简单,可靠,资料可以在官网上下载;

非常感谢您的回复。对于第一点,因为这是设计的第一版,没有可供参考的设计,因为板子上还有很多大电流的器件,可是正式工作时发现电流消耗并不大,所以设计得过于冗余了,下次改版就不选这个芯片了。对于第二点,我是否可以理解我的电容选的不对,应该用电解电容?但现在没有设计补偿回路,如果不改电路板的情况下,该如何修改我的电路呢?改变电容封装和容值能达到要求吗?

你如果非要在电路上做调整; 1. 输出端选用合适的电解电容; 2. 调整开关频率和电感; 开关频率最好工作在500KHZ左右;然后根据频率选择合适的电感;

不过还是建议改板,你可以用一个小板搭一个电路出来;因为那个电源即使调出来,选用的可能性也不大;在选用新的方案之前一定要确定好你的输出电压,输出电流多大,输入电压范围,也就是说先定好性能指标参数,再来定方案;否则事倍功半;另外你是选用开关电源来做还是LDO, 也要根据你的产品要求来定;

sheng liu

非常感谢您的回复。对于第一点,因为这是设计的第一版,没有可供参考的设计,因为板子上还有很多大电流的器件,可是正式工作时发现电流消耗并不大,所以设计得过于冗余了,下次改版就不选这个芯片了。对于第二点,我是否可以理解我的电容选的不对,应该用电解电容?但现在没有设计补偿回路,如果不改电路板的情况下,该如何修改我的电路呢?改变电容封装和容值能达到要求吗?

对于第二点,D-CAP这种控制模式需要输出电容的ESR大于一定的值才能帮助环路稳定,如果输出电容的ESR达到要求,并不需要额外的补偿回路。

换输出电容肯定能解决问题,需要考虑以下几点:

如果对电路的高度要求比较严格,建议使用POSCAP或者B2封装的CAP,这些输出电容容值大,高度<3mm,可以满足高功率密度的设计,这种电容的耐压比较低,一般是2.5V的,但是松下等公司也有一些稍微高压一点儿的电容,缺点就是价格也比较高。

如果只是一般应用,那建议选择OS-CAP就可以了,价格便宜;

如果需要更便宜的方案,选择那种圆柱体的铝电解电容也可以,但是这种电容由于其制作工艺的原因,ESL会比较大,需要酌情并联一些MLCC;

至于需要多大的ESR,datasheet上,还有楼上Scott说得很明白了。

sheng liu

非常感谢您的回复。对于第一点,因为这是设计的第一版,没有可供参考的设计,因为板子上还有很多大电流的器件,可是正式工作时发现电流消耗并不大,所以设计得过于冗余了,下次改版就不选这个芯片了。对于第二点,我是否可以理解我的电容选的不对,应该用电解电容?但现在没有设计补偿回路,如果不改电路板的情况下,该如何修改我的电路呢?改变电容封装和容值能达到要求吗?

关于D-CAP控制模式的介绍请参考:

Adaptive Constant On-Time (D-CAPTM

关于D-CAP模式怎么通过使用外部元器件低ESR的MLCC电容,请参考:

D-CAP(TM) Mode With All-Ceramic Output Capacitor Application, slva453 - TI.com

考虑到越来越多的MLCC应用,所以TI又推出的D-CAP2的控制模式,将补偿电路加到芯片内部。前面提到的TPS51312就是这种控制。

改版是肯定的,但必须先要把原有的设计调试完成再修改。根据专家的建议,设定:开关频率是500KHz,输出电压是+3.3V,输出电流需要1A,R2为10K。

根据公式(8),得到R1=34K;

根据公式(9),得到Ton=1.32us;

根据公式(10),Rton=145.3K;

根据公式(11),得到L=6.73uH;

根据公式(13),得到ESR=198M;

根据公式(6),若f0=100KHz,得到Cout=8.04nF;

请问我上面的计算是否正确?还有什么需要注意的地方?

sheng liu

改版是肯定的,但必须先要把原有的设计调试完成再修改。根据专家的建议,设定:开关频率是500KHz,输出电压是+3.3V,输出电流需要1A,R2为10K。

根据公式(8),得到R1=34K;

根据公式(9),得到Ton=1.32us;

根据公式(10),Rton=145.3K;

根据公式(11),得到L=6.73uH;

根据公式(13),得到ESR=198M;

根据公式(6),若f0=100KHz,得到Cout=8.04nF;

请问我上面的计算是否正确?还有什么需要注意的地方?

我先不评论RTon的计算,这个需要你自己在调试过程中慢慢替换。

其次,你计算出来的198mohm ESR, 8.04nF的电容,以我的经验,没有这样的电容。

我建议你先上一个220uF的电解电容,调试一下。

我已经将原来的钽电容C330去掉,换成了圆柱形的电解电容220uF/16V,原来3.3V的纹波用示波器看大约是160mV,后来改过下降为130mV。这样应该是信号质量提高了一些。但是另外同样的情况,2.5V的纹波则由原来的130mV几乎没有变化。不知道能否解释这个情况?

另外,我现在是用直流稳压电源输出5V的电压来给51315供电,但是发现工作时5V的纹波很大,有240mV。貌似是5315的工作将输入电压的质量变差了。请问这是什么原因?

我已经将原来的钽电容C330去掉,换成了圆柱形的电解电容220uF/16V,原来3.3V的纹波用示波器看大约是160mV,后来改过下降为130mV。这样应该是信号质量提高了一些。但是另外同样的情况,2.5V的纹波则由原来的130mV几乎没有变化。不知道能否解释这个情况?

另外,我现在是用直流稳压电源输出5V的电压来给51315供电,但是发现工作时5V的纹波很大,有240mV。貌似是5315的工作将输入电压的质量变差了。请问这是什么原因?

sheng liu

我已经将原来的钽电容C330去掉,换成了圆柱形的电解电容220uF/16V,原来3.3V的纹波用示波器看大约是160mV,后来改过下降为130mV。这样应该是信号质量提高了一些。但是另外同样的情况,2.5V的纹波则由原来的130mV几乎没有变化。不知道能否解释这个情况?

另外,我现在是用直流稳压电源输出5V的电压来给51315供电,但是发现工作时5V的纹波很大,有240mV。貌似是5315的工作将输入电压的质量变差了。请问这是什么原因?

你用的什么型号的电源?建议在电源的输出加一个大电容,使输入稳定再进行下一步测试。

你测到的频率是多少?

我用的电源是固纬电子生产的线性直流电源,应该不是电源的问题。我给别的板子供电就是好的。那先不管这个问题了,如果我以后想换芯片,请问可以用TI的哪些代替TPS51315呢?我的电源是5V分别稳出3.3V(800mA)、2.5V(500mA)、1.8V(1.2A),希望纹波能尽量小,周围的电阻电容尽量少,电路简单,DC-DC。

Hi

   可以选择TPS65251, 5V输入,3路同步buck输出, 效率非常高。TI 有提供这个芯片的EVM板,您可以参照EVM板电阻,也可以在EVM电路的基础上修改(需要将1.2V输出改到2.5V,可以将最大输出路1.2A放在buck1)

   按照datasheet中设计的参考,纹波电压是可以做到<30mV, 应可以满足你的要求。

    关于输出滤波器的选择,你可以参照这个文档: http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slva565/slva565.pdf  选择合适的电感和输出电容或可以设计出更小输出纹波。

sheng liu

我用的电源是固纬电子生产的线性直流电源,应该不是电源的问题。我给别的板子供电就是好的。那先不管这个问题了,如果我以后想换芯片,请问可以用TI的哪些代替TPS51315呢?我的电源是5V分别稳出3.3V(800mA)、2.5V(500mA)、1.8V(1.2A),希望纹波能尽量小,周围的电阻电容尽量少,电路简单,DC-DC。

推荐使用TPS51312,3x3mm, 5.5VIN,3A,输出电压0.6V 到3.3V,工作频率900kHz,输出电容可以用到2颗22uF就可以了

http://www.ti.com/product/tps51312

http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=slusb57&fileType=pdf

使用TPS65251, 一定要非常注意它的layout;

Hi

   layout可以参考TPS65251的EVM板。

   参数选择可以参照datasheet的设计方法。

感谢专家推荐。TPS65251是三路一起输出的,而我希望是三路电压用三个芯片各自输出的,因此可能不合适;而TPS51312是基于D-CAP技术的,和TPS51315是同一系列的,就现在调试看,对外围电感电容的要求较高,给调试增加难度,因此也不合适。

TPS62130吧,简单好用。

sheng liu

感谢专家推荐。TPS65251是三路一起输出的,而我希望是三路电压用三个芯片各自输出的,因此可能不合适;而TPS51312是基于D-CAP技术的,和TPS51315是同一系列的,就现在调试看,对外围电感电容的要求较高,给调试增加难度,因此也不合适。

TPS51312不是D-CAP的,不需要外部补偿,输出电容使用MLCC就可以了,你可以看一下外部电路非常简单。

TPS62130也可以,也不需要外部补偿。

TPS51312的资料第一句话就是:D-CAP2™ Mode Enables Fast Transient Response.

可不就是利用D-CAP2技术来做快速动态响应。难道D-CAP2和D-CAP有本质区别?

sheng liu

TPS51312的资料第一句话就是:D-CAP2™ Mode Enables Fast Transient Response.

可不就是利用D-CAP2技术来做快速动态响应。难道D-CAP2和D-CAP有本质区别?

(1)TI D-CAP2 mode topology is next generation DCAP mode which integrates a switching injection circuit to allow use of ceramic output capacitors.

(2)DCAP2 mode is stable even if  the Vout ripple voltage is zero. This allows the use of ceramic output capacitors.

(3)DCAP2 mode has identical operation as DCAP mode.

 Adaptive on-time control --> Keeps switching frequency constant without external R or C components for frequency setting.

(1)Input feedback voltage (Vfb) to error comparator directly without an error amplifier

那就5V稳压出3.3V(700mA)、5V稳压出2.5V(700mA)、5V稳压出1.8V(1100mA)都用TPS51312来做,那么这时5V的输出电流大约是多少?如果我还想用12V来稳压出所需的这个5V,又该选哪个芯片比较合适?还是DC-DC的,那这几个DC-DC级联又有什么地方需要注意的?中间串电感之类?另外TPS51312的GND应该是在芯片底下的,布线又需要注意什么?

sheng liu

那就5V稳压出3.3V(700mA)、5V稳压出2.5V(700mA)、5V稳压出1.8V(1100mA)都用TPS51312来做,那么这时5V的输出电流大约是多少?如果我还想用12V来稳压出所需的这个5V,又该选哪个芯片比较合适?还是DC-DC的,那这几个DC-DC级联又有什么地方需要注意的?中间串电感之类?另外TPS51312的GND应该是在芯片底下的,布线又需要注意什么?

1. 假设最大负载电流时,效率为70%,那需要从5V抽(2.5*0.7 + 3.3*0.7 + 1.8*1.1)/0.7/5=1.73A, 

2. TPS51312的地在芯片下面,你走PCB layout的时候铺地就是了。

3. DCDC级联没有要注意的啊,连到一起就可以了;

4. 12V-->5V/2A,你可以使用TPS54239等。

话说你为什么要用两级,而不是直接用3个一级,得到不同的电压呢?

因为我的板子上还有几个芯片需要有5V的电压,而这些5V电压都很小,总共才200mA左右,因此就用5V电压了。那如果我的5V电压想设额定电流为3-5A,那又该选择哪个芯片呢?

sheng liu

因为我的板子上还有几个芯片需要有5V的电压,而这些5V电压都很小,总共才200mA左右,因此就用5V电压了。那如果我的5V电压想设额定电流为3-5A,那又该选择哪个芯片呢?

3A TPS62133

4A TPS54428

5A TPS54531

如果其他路5V只需要200mA电流,我认为3A的器件足够你用了

 

你现在的电流总共才200mA,  留一定的余量,1A,应该是足够呢,不知道你这边会不会有瞬间的峰值电流,因为之前碰到有客户的负载是感性负载,所以在启动和关断的时候会有个峰值电流,这样的话负载就必须按峰值电流来选取;

你没有看懂我前面的意思。我的5V电压是由12V稳压下来的,然后还要用5V同时稳压出3.3V(700mA)、2.5V(700mA)、1.8V(1100mA),因此大概有2A的电流。

那就用TPS62133吧,不知道另一款TPS62130如何?

sheng liu

那就用TPS62133吧,不知道另一款TPS62130如何?

他们是一类芯片,只不过TPS62133使用内部分压得到5V, TPS62130使用外部分压电阻设置输出电压。

好的,初步就这么设计。有问题继续请教专家!

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