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追踪错位的振荡

2020-02-25 08:24:00 Marshall Bell,EDN 阅读:
公司里,年轻工程师的硅晶(silicon)刚从制造商那边送回来,但其内部稳压器正在振荡,这是先前设计的一个问题,且团队因为问题未解而感到心烦意乱…

当我的新经理要我帮助一位年轻的工程师解决她遇到的问题时,我已经在一家IC设计公司担任资深设计工程师达两周。这位年轻工程师的硅晶(silicon)刚从制造商那边送回来,但其内部稳压器正在振荡,这是先前设计的一个问题,且团队因为问题未解而感到心烦意乱。KIKednc

我们在她的办公室讨论了这个问题。相位裕度、负载电容、制程限制…等一切似乎都很好。我查看了她的模拟,也没有发现任何问题。然后我问:「你确定硅晶正在振荡吗?」KIKednc

她带我去了实验室,将芯片安装在评估板上。她将示波器探棒放在她芯片的内部稳压器输出接脚上,且示波器确实显示了一个很好的100kHz正弦波,振幅为1Vpp。KIKednc

然而,令人怀疑的是,这个正弦波没有明显的失真。通常,振荡调节器会显示更接近方波或高度失真正弦波的现象。我把手指放在稳压器的输出上,注意到频率或波形没有变化。我们在稳压器的输出端增加了一个4.7µF电容,但同样的,频率和形状也没有改变。现在我真的觉得很可疑…KIKednc

我告诉她从电路板上检查芯片的电源。看吧!这100kHz正弦波位于3.3V DC的顶端,究竟发生了什么事?她说,其他人告诉她,电源受到调节器振荡负载的影响。振荡负载可能会在电源端上产生100kHz正弦波,但我看不出她的稳压器如何产生如此低失真的正弦波,其频率与负载电容无关。KIKednc

查看评估板的原理图,我看到电源由线性稳压器、2.2µF陶瓷电容和铁氧体磁珠组成。我查了铁氧体磁珠的零件编号,发现它的电感为1µH,现在问题很明显了…1µH电感和2.2µF电容以100kHz的频率谐振,且电路板的线性稳压器在振荡。去除了铁氧体磁珠后,一切都变得很好。KIKednc

当我询问开发板设计师为什么添加铁氧体磁珠时,他回答说该电路已经在以前的电路板上已经使用了很多年。问题是,这些年来技术已经产生了变化,原始的开发板使用了电解电容和100nH铁氧体磁珠,与目前使用的现代陶瓷电容相比,电解电容具有较高的串联电阻,幅度提高了两个数量级。我还问了为什么他们增加了铁氧体磁珠的电感,并被告知新的电感具有与原始尺寸相同的更大电感,并且在频率 > 10MHz时衰减更大。KIKednc

铁氧体磁珠用在衰减 > 10MHz的干扰/无用的讯号方面非常有效,因为在这些频率以上它们是有损耗的。但是,在较低频率(100kHz)下,它们没有损耗。KIKednc

在新开发板上的电路中,2.2µF电容和1µH电感形成了一个High-Q谐振电路,该电路板的线性稳压器的反馈回路无法处理,因此产生了振荡。较小的100nH电感将谐振频率提高到1MHz,这是在铁氧体变得有损耗且电路Q值低得多的范围内,因此线性稳压器在旧电路板设计中是稳定的。KIKednc

请注意:你的新IC设计的开发板也是新设计。KIKednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接: Tracking down a misplaced oscillation, EDN Taiwan Anthea Chuang编译)KIKednc

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