【转载】TI SWIFT 电源芯片输出电容的选取

1万 · 2019-12-26 15:51

本帖最后由 xyz549040622 于 2019-12-26 15:55 编辑

《TI-SWIFT电源芯片系列----慎用PWRGD管脚》.pdf (149.95 KB)

【摘要】
TI SWIFT 电源芯片的电路设计中，输出电容一定要选取低 ESR 的，过大的 ESR 有造成输出纹波
大的隐患。
【关键词】
SWIFT，输出电容，ESR，电源纹波

1万 · 2019-12-26 15:51

1 应用电路概述
TPS54317是TI SWIFT电源芯片家族的一员，输入电压范围为3～6V，额定输出电流3A，适合的应用场景很多。在本文的例子中，TPS54317用于给TI的一款ADC+DDC芯片提供1.5V核电压，网络名称VCC1.5V。
其应用电路如图 1：

1万 · 2019-12-26 15:52

2 故障概况
芯片所在单板（以下简称单板）在一次低温-40℃冷启动实验中不上电。观察单板 VCC3.3V 网络对应的电源指示灯不亮。

1万 · 2019-12-26 15:53

3 诊断过程
该单板的低温冷启原来做过很多次，每次都能够成功，说明原来都能够成功上电。为什么这次就不
行了呢？
起初怀疑是产生 VCC3.3V 的电源模块出了问题，用示波器测量其各个管脚状态，输入正常，无输
出，测量其 REMOTE ON/OFF 管脚，发现其有高低状态的不断跳变。而正常状态下，这个管脚应该是
在模块内部被稳定上拉到输入电压（+5.5V）的。
考虑到这个管脚是连接到 TPS54317 的 PWRGD 管脚的，这个管脚的状态不正常，原因应该是
TPS54317 的输出不正常，导致 OD 门 PWRGD 管脚没有被完全释放。于是，我们开始了对 TPS54317
输出的一系列测量：
1、
示波器测量 TPS54317 输出（VCC1.5V），发现纹波非常大，远远超出了正常值，达到了
400mVpp！！！如图 2 Ref1 波形（注意 Ref1 纵轴为每格 500mV）。
2、
将有问题的单板拿出来到常温下测量，发现纹波也不小，有 135mVpp，如图 2 Ch1 波形。
这个纹波值显然是不能接受的。
3、
找来了多块单板进行测量，发现在不同的单板上，TPS54317 的输出纹波表现不一致，有
些正常（30mVpp），如图 3；有些过大，类似图 2 Ch1 波形，且二者纹波频率不一致（350kHz
VS. 125kHz）。而且，纹波正常的单板都是属于同一批次的，而纹波不正常的单板是属于
另一批次的。

注：上图 Ch1 频率显示值有误，实际为 350kHz（14/40us）。
比较两批单板的生产料单，TPS54317 这部分的电路是一模一样的。那么很可能是某个器件的批次
问题导致故障的发生。
咨询 TI，提示输出电容的 ESR 过大会导致输出电源纹波过大。为了验证这个说法，我们将纹波正
常单板和纹波异常单板的输出电容交换，发现二者的现象也交换了：原来纹波小的单板纹波变大了，原
来纹波大的单板纹波变小了——问题就出在输出电容上。

1万 · 2019-12-26 15:54

4 原因分析
查询 TPS54317 使用的这个输出电容的参数，ESR 最大可达 0.9ohm@100kHz。反查设计电路时的
软件配置参数，发现：虽然这个电容实际选取的容值与软件一致，但 ESR 值相差了很多（软件中选取
的最大 ESR 为 0.04ohm）。正是由于设计时疏忽了这一点，才造成今天的故障发生。
以前冷启动没问题的单板，常温下 VCC1.5V 纹波值正常，因此低温环境下虽然纹波会恶化，但还
不至于影响 TPS54317 的 PWRGD 异常；而后来使用常温下 VCC1.5V 纹波都很大的单板来做冷启动，
低温下电容参数进一步恶化，结果自然就可想而知了。
两个不同批次的单板，由于使用了不同批次的电容，导致常温下一个批次的 VCC1.5V 输出纹波正
常，另一个批次的偏大。不过可以肯定的是，即使是常温下 1.5V 没问题的单板，放到低温环境下纹波
也会不小，因为一开始这个电容选取就不对。

1万 · 2019-12-26 15:54

5 解决与预防措施
修改输出电容为低阻抗片式钽电容。实际采用的电容参数为：容值 150uF，6.3V 耐压，最大 ESR
0.04ohm@100kHz。
6 实践情况
将两个批次的单板全部换上低阻抗钽电容，所有 VCC1.5V 纹波均正常。低温冷启动的故障也不再
复现。
7 效果评价
此次故障的解决最终解决了单板冷启动失败的故障，亦即 VCC1.5V 输出纹波过大的故障。
8 归纳
这次单板冷启动失败的故障，看上去是器件批次导致的问题，实际是设计时器件参数选择得不合理
造成的。TI 的 SWIFT 系列 DC-DC 电源转换芯片，成本较低，但外围电路需自己根据 TI 提供的软件进
行设计。使用 TI SWIFT 芯片的配套软件对其进行外围电路进行设计时，一定要注意元件各项参数的选
取。以输出电容为例，我们就不能只关心它的容值，而忽略 ESR 等重要参数——只有选取低 ESR 的输
出电容，才能保证输出电压的纹波参数。
9 参考资料
无

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