FPGA系统中电源纹波调试方案

在某FPGA系统中，对电源系统进行调试，在同样的测试条件下，发现其中有一块板相对其它的板功耗总偏大，进而对其进行调试分析。

在该系统中，输入电压为DC12V，输出电压有：5V、3.3V、2.5V和1.2V，综合考虑电源纹波和转换效率，在该系统中采用了DC-DC和LDO，基本框图如下所示：

该DC-DC为双路输出（5V和3.3V）。这里，功率电感的大小选择为10uH。以下是对各输出电压所进行的纹波测试，波形如下：

图1  5V电压纹波

图2  3.3V电压纹波

图3  2.5V电压纹波

图4  1.2V电压纹波

由以上可以看出，各电压的纹波相当大，再次测试5V一侧的斩波波形，如下图。

图5  5V一侧斩波波形

从图中可以看出，该斩波波形是较差的。在FPGA系统中则会表现为：整个系统电流偏大，进而影响功耗偏大。

因此，这里重点考虑DC-DC外围元件的参数选择不合理。首先从功率电感入手，将其由10uH加大到15uH，再次进行测试。更换功率电感后的斩波波形如下，得到了较大改善。

图6  更换L后5V一侧斩波波形

再次测量各电压纹波如下：

图7  更换L后5V电压纹波

图8  更换L后3.3V电压纹波

图9  更换L后2.5V电压纹波

图10  更换L后1.2V电压纹波

更换L前各电压的纹波分别为：126mV，65.6mV，49.6mV，39.2mV；

更换L后各电压的纹波又分别为：32mV，16.8mV，5.6mV，4.8mV。

从以上可以看出，各电压纹波对得到了较大的改善。继续对电路进行改进，加大去耦电容，经测试，纹波再一次得到了减小，不过作用并不是太明显。

分析：若DC-DC的纹波较大，则会直接影响其转换效率，进而造成一些不必要的能量浪费，使整个系统的功耗偏大。

纹波偏大的影响：

纹波过大会引起系统工作不稳定，发热量偏高等。长期的工作不稳定还可能造成芯片功能下降或损坏。

总结：功率电感对于DC-DC的影响是极大的，在实际的DC-DC电源调试过程中，如果发现输出纹波较大，可以先测试一下其斩波波形，并首先尝试改变一下功率电感的参数（应尽量满足芯片手册给出的要求），增大电源滤波电容等；纹波大还有可能是PCB走线不合理造成，所以在PCB的设计过程中也要引起重视（一般在芯片手册中都有Layout指导，可参考）。。

一般来说，Buck型DC-DC的输出纹波应该控制在30-50mV以下，而LDO的纹波则应该控制在10mV以下。如果纹波是50Hz或者100Hz有效值波形，则很可能是输入滤波电容小了；如果纹波是开关频率的有效值波形，则可能是输出电感或电解电容小了；如果纹波是高频波形，则可能是反馈电路的元器件参数不当，或者是PCB走线不好等造成。

在某些场合，若对纹波要求较高，而输入输出压差又较大，还可以考虑采用DC-DC加LDO的方式供电。

当然，以上这些都是针对一般的应用而言，如果是更高要求的系统，则应进行更加全面、深入的考虑和测试。