追蹤錯位的振盪

作者: Marshall Bell,EDN

公司裡,年輕工程師的矽晶(silicon)剛從製造商那邊送回來,但其內部穩壓器正在振盪,這是先前設計的一個問題,且團隊因為問題未解而感到心煩意亂…

當我的新經理要我幫助一位年輕的工程師解決我遇到的問題時,我已經在一家IC設計公司擔任資深設計工程師達2週。這位年輕工程師的矽晶(silicon)剛從製造商那邊送回來,但其內部穩壓器正在振盪,這是先前設計的一個問題,且團隊因為問題未解而感到心煩意亂。

我們在她的辦公室討論了這個問題。相位裕度、負載電容、製程限制…等一切似乎都很好。我查看了她的模擬,也沒有發現任何問題。然後我問:「你確定矽晶正在振盪嗎?」

她帶我去了實驗室,將晶片安裝在評估板上。她將示波器探棒放在她晶片的內部穩壓器輸出接腳上,且示波器確實顯示了一個很好的100kHz正弦波,振幅為1Vpp。

然而,令人懷疑的是,這個正弦波沒有明顯的失真。通常,振盪調節器會顯示更接近方波或高度失真正弦波的現象。我把手指放在穩壓器的輸出上,注意到頻率或波形沒有變化。我們在穩壓器的輸出端增加了一個4.7µF電容,但同樣的,頻率和形狀也沒有改變。現在我真的覺得很可疑…

我告訴她從電路板上檢查晶片的電源。看吧!這100kHz正弦波位於3.3V DC的頂端,究竟發生了什麼事?她說,其他人告訴她,電源受到調節器振盪負載的影響。振盪負載可能會在電源端上產生100kHz正弦波,但我看不出她的穩壓器如何產生如此低失真的正弦波,其頻率與負載電容無關。

查看評估板的原理圖,我看到電源由線性穩壓器、2.2µF陶瓷電容和鐵氧體磁珠組成。我查了鐵氧體磁珠的零件編號,發現它的電感為1µH,現在問題很明顯了…1µH電感和2.2µF電容以100kHz的頻率諧振,且電路板的線性穩壓器在振盪。去除了鐵氧體磁珠後,一切都變得很好。

當我詢問開發板設計師為什麼添加鐵氧體磁珠時,他回答說該電路已經在以前的電路板上已經使用了很多年。問題是,這些年來技術已經產生了變化,原始的開發板使用了電解電容和100nH鐵氧體磁珠,與目前使用的現代陶瓷電容相比,電解電容具有較高的串聯電阻,幅度提高了兩個數量級。我還問了為什麼他們增加了鐵氧體磁珠的電感,並被告知新的電感具有與原始尺寸相同的更大電感,並且在頻率 > 10MHz時衰減更大。

鐵氧體磁珠用在衰減 > 10MHz的干擾/無用的訊號方面非常有效,因為在這些頻率以上它們是有損耗的。但是,在較低頻率(100kHz)下,它們沒有損耗。

在新開發板上的電路中,2.2µF電容和1µH電感形成了一個High-Q諧振電路,該電路板的線性穩壓器的反饋迴路無法處理,因此產生了振盪。較小的100nH電感將諧振頻率提高到1MHz,這是在鐵氧體變得有損耗且電路Q值低得多的範圍內,因此線性穩壓器在舊電路板設計中是穩定的。

請注意:你的新IC設計的開發板也是新設計。

(參考原文: Tracking down a misplaced oscillation,by Marshall Bell,EDN Taiwan Anthea Chuang編譯)

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