我该如何分析我的TPS54360板子的纹波问题（附大量图）？

Rabbitoose · 发表于 2021-12-6 22:55:26

大佬们好，首先说明一下我是一个大年龄的非科班纯爱好者，今年刚开始倒腾电子设计，如有让各位忍俊不禁的地方，请尽情指出，我会认真接受。

也是看了论坛的帖子，得知TPS54360是一个年份长而又经典的DC-DC芯片，所以我想借助它完成一个能支持大电流输出的模块，比如能用在由太阳能供电的需要4G和传感器的应用场合。
这也是我所用的第二种BUCK Converter器件，也是我在这个论坛第二次发帖，先谢为敬。

发帖求助的主要内容是：
1、请问我用手头的设备这样分析板子，方式方法上该如何改进？
2、我的设计是不是纹波问题很严重，从电路和布线上该如何改善？

电路图我基本就是照搬的datasheet(https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps54360.pdf)，按照里面的计算方法跟着走了一遍，但是最终也没什么修改。输出电压上，我用了自己手头现有的电阻，所以输出只能调为为5.28V而不是5V，而且我想万一需要用到5V，那我加一个LDO正好合适。
走线也是参照datasheet，局部做了微小的调整，但是我“个人觉得”影响不大。
元器件我自己选的，某商场买的，除了参数合不合适以外，应该不会有质量问题。

下面上图吧。
首先是原理图。

电路板（抱歉，背面忘了铺铜加强散热，所以跑到3.5A的时候，我的手指只敢放上去1秒就烫得受不了，但我试过现在12月份的天气，在室温下倒是还能稳定跑在3.5A上）

实物图

下面是我用示波器抓取的波形图（示波器的使用上我也是菜鸟，请顺带指教）。
测试的时候也有样学样的用了接地弹簧。

空载时的波形
图片上显示的峰峰值只有30mA，但是这是我抓图没有抓到最高点，实际显示的是在不同跳变，高的时候也有100mA以上。

0.2A时
此时效率为91.67%。

1A时

2A时

kitten · 发表于 2021-12-6 23:29:10

楼主的设备投入不少啊

wye11083 · 发表于 2021-12-6 23:41:11

很正常的纹波了。你输入输出比例悬殊。

qwe2231695 · 发表于 2021-12-6 23:42:18

输出电容太少了

akey3000 · 发表于 2021-12-7 00:48:16

设备也是自己买的？

cne53102 · 发表于 2021-12-7 01:17:11

本帖最后由 cne53102 于 2021-12-7 01:19 编辑

虽然不一定能有效改善输出，但说几点我能确认的。

输出电容如果耐压只有10V的话，是个问题。
陶瓷电容随着电压增加（指向着它的上限增加），其容量会减小。
以日本村田的X5R, 1206, 100uf, 10V举例，施加5V上去时它就只剩35uf了
如果是Y5V的电容就更惨。
所以，楼主输出端的电容如果真是如原理图所示是10V，那么这个东西实际运行时可能已经偏离计算参数很远了。
可以尝试将输出电容替换为小容量陶瓷+大容量电解电容的形式。（在现有的板子上进行尝试，不必试一下就重新打板）
同时连接COMP脚的元件需要重新计算，计算可以使用TI官网的WEBENCH® Power Designer。

如果电感在体积、效率和电流上允许，可以尝试电感量稍大的电感。

布局方面，二极管、电感和输出电容所组成的“环形”围起来的面积应尽可能的小，并且这个环里不要有其他电路（在现有PCB设计上，C36和C37移动到D1的上方即可实现）。

//编辑：补充括号

xingkong911 · 发表于 2021-12-7 08:06:07

D1是什么参数？
另外IC的频率是多少？

angler12 · 发表于 2021-12-7 08:12:19

我的输出加了一个蓝宝石的470uf的高频电解，可以到官网上用他们的仿真工具看看

redroof · 发表于 2021-12-7 08:40:29

用固态电解呗，我以前有实测的文章。一个仅仅180uf的固态，实测纹波好于两个470uf电解。

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 08:40:43

wye11083 发表于 2021-12-6 23:41
很正常的纹波了。你输入输出比例悬殊。

谢谢 wye11083大佬深夜回复。虽然不认识，但是其实拜读过你很多很多帖子了，现在被你直接指导，十分开心。

请问是指输入和输出电容的配比吗？输入100uF和输出2个100uF这个比例？

这个我确实没有计算过的（也不会），我只是了解到，如果输入电源距离DC-DC电路比较远，为了避免用输出电流突然增大时的输入端的瞬态电压下降，建议增加一个输入电容，而我刚好有符合这样的条件的电容，就用了一个上去。
这样会适得其反吗？还是只是不科学、浪费？

redroof · 发表于 2021-12-7 08:49:57

对于纯电阻负载来说，我认为把纹波压到100mv以内才是合格的。
最简单的改法是加个固态电解试试呗，不用改板子，直接并上

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 09:07:09

cne53102 发表于 2021-12-7 01:17
虽然不一定能有效改善输出，但说几点我能确认的。

输出电容如果耐压只有10V的话，是个问题。

都1点了还在帮我解答问题，恐怕一句感谢不足以回报啦~

首先关于电容的计算问题，根据你的分析，我粗略翻了一下datasheet，里面计算的结果是使用47uF 10V ESR 5mΩ的瓷片电容，也考虑到了容量降额问题（折算为58.3uF），而为了达到设计纹波要求（200mV），只需要29.2uF。不过我这里也疏忽了一点，因为组装时手头没有100uF的电容，我这里实际用了两颗村田X5R 1206 47uF 25V的。
不过我承认这部分我没有仔细阅读和亲手计算过，我打算按照你指出的方向先加强理解一下，再反馈改善情况。

其次，电感现在用的是顺络SWRB1205S-100MT，10uH 4A 25mΩ，我也会再试试稍大的。

最后，关于电感、二极管、输出电容的环形问题，我理解有点困难。它们组成的环形面积要小这点我理解，但是“输出电容”既然是输出的，那它不是应该放在靠近输出端（就是我那几个座子）的位置吗？如果移动到D1上方，那么离座子最近的就是电感了，那会不会因为电感的充放电的关系，导致纹波更大？
我的意思是，电感就像水泵，提高水位，抽上来的水放到水库里；水库水面平稳，用水时从水库取水。还是这个直觉的类比其实是不合适的？

再次感谢！

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 09:13:12

redroof 发表于 2021-12-7 08:49
对于纯电阻负载来说，我认为把纹波压到100mv以内才是合格的。
最简单的改法是加个固态电解试试呗，不用改板 ...

谢谢redroof大佬的回复。您的帖子我也看过很多很多，受益匪浅！

我会试试的。我知道固态电解很好用，我手头还没有，回头一起买来测试一下。

感谢！

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 09:21:36

xingkong911 发表于 2021-12-7 08:06
D1是什么参数？
另外IC的频率是多少？

D1用的是美台的B560C-13-F，SMC封装，Vr=60V，Io=5A，Vf=700mV。

IC频率为600KHz左右（在RT/CLK引脚上接了160KΩ电阻）。

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 09:24:56

akey3000 发表于 2021-12-7 00:48
设备也是自己买的？

嗯。

不能让因为缺少设备妨碍了自己进步。

redroof · 发表于 2021-12-7 09:29:20

Rabbitoose 发表于 2021-12-7 09:13
谢谢redroof大佬的回复。您的帖子我也看过很多很多，受益匪浅！

我会试试的。我知道固态电解很好用，我 ...

如果你将来准备用干驱动4G模块的话，要注意你用电子负载测到的纹波已经是最好的情况，因为它是个纯电阻。
如果这个状态下的纹波都那么高，装上4G模块以后会更高。
还要注意4G模块对电源要求最高的场景是它工作在2G状态下的，哈哈，很多人不一定测得到。2G状态下每个时隙是0.5ms多一点，遇到发的时候耗电非常高，收的时候耗电又降下去了。4G的耗电反而比较均匀，对电源友好的多

xly · 发表于 2021-12-7 09:34:35

本帖最后由 xly 于 2021-12-7 09:36 编辑

布线太差了。先把这1234点搞到一起。你这个距离太长了。电源布线很讲究的。这些点全是功率地。处理好这些点，纹波应该就没有了。你最好严格按PDF上推荐的布线。

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 09:39:50

本帖最后由 Rabbitoose 于 2021-12-7 10:12 编辑

redroof 发表于 2021-12-7 09:29
如果你将来准备用干驱动4G模块的话，要注意你用电子负载测到的纹波已经是最好的情况，因为它是个纯电阻。 ...

谢谢，非常重要的提醒。

同时，我看论坛上经常有人提到LDO对于降低纹波的重要性，所以我设想是在本模块输出5.28V以后，再经过不同的LDO给不同的子系统供电，比如我手头有一个4G模块，它的供电电压是3.8V峰值电流2A，那我就用一个LDO给它转换一下电压，同时对纹波也有改善。这样是不是正确的思路？

//编辑：增加提问

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 09:48:52

xly 发表于 2021-12-7 09:34
布线太差了。先把这1234点搞到一起。你这个距离太长了。电源布线很讲究的。这些点全是功率地。处理好这些点 ...

谢谢批评。

但是我还是要追问一下，两个疑问：

首先，2确实离得比较远，前面@cne53102也建议我把两颗输出电容移到D1上方，即3位置附近，不知您觉得这个方案如何？

第二个疑问，作为菜鸟，我对于远近没有一个数量上的准确认知，我虽然懂得“地”的重要性，但是对于1、3、4点，我觉得已经尽力搞得离得很近了，是不是也还不够？我觉得一下子想不出什么方法再往近里凑了。

xly · 发表于 2021-12-7 10:19:20

C33的负极到U7属于输入功率回路，这两点间不应该有小信号或者次级电路的任何元件连接，而且这两者负极应该尽量靠近接成一点。然后U7的地、D1的正、输出电容C36 C37负极这之间属于输出功率回路，这个地应该尽量短，也就是这四者负极要尽量靠近接在一起。其它的反馈回路的元件接地点，都应该以一点的方式接到C36 C37。。处理好这两个地一般都没啥问题

wye11083 · 发表于 2021-12-7 10:30:59

Rabbitoose 发表于 2021-12-7 08:40
谢谢 wye11083大佬深夜回复。虽然不认识，但是其实拜读过你很多很多帖子了，现在被你直接指导，十分开心 ...

噢，昨天迷糊了，你12v应该会好一些。至于纹波，你显然忽略了一点：mlcc容量并不大。想解决输出纹波很简单，你把输入电容换成100uf的固态电容，输出再加个470uf的固态电容，纹波我保证你能测到50mv。你看你的输出波形，开关切换瞬间就开始猛掉，显然是电容撑不住了。

我以前测试过，想要达到极好的纹波，每200ma要有47uf？左右电容，记不清了。总之就是你想带重负载，就加大输出电容量。

另外，严重发热问题是因为你开关频率太高了。你降到300k左右芯片就不那么热了。

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 10:32:11

xly 发表于 2021-12-7 10:19
C33的负极到U7属于输入功率回路，这两点间不应该有小信号或者次级电路的任何元件连接，而且这两者负极应该 ...

我感觉我明白了。

我会再做一版试试看，到时候再请你指导。

多谢多谢~~

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 10:42:51

wye11083 发表于 2021-12-7 10:30
噢，昨天迷糊了，你12v应该会好一些。至于纹波，你显然忽略了一点：mlcc容量并不大。想解决输出纹波很简 ...

好的，那既然如此我必须得试试固态电容了。

我会把接地回路部分稍作调整，然后结合固态电容再做一个板子试试看。

你说的电容和电流配比的经验系数我也会留意验证一下。

many many thanks!

redroof · 发表于 2021-12-7 11:09:01

wye11083 发表于 2021-12-7 10:30
噢，昨天迷糊了，你12v应该会好一些。至于纹波，你显然忽略了一点：mlcc容量并不大。想解决输出纹波很简 ...

我手上现在只有一种固态电容，180uF的，4G模块的供电部分只需要一个，再加两个47uF的MLCC就足够了。
这样在4G工作状态足够保证低于100mV的纹波（2G状态会达到150mV左右）
如果使用两个180uF固态可以把纹波降到50mv左右，但太占地方，所以我通常只用一个，反正已经够好了

wye11083 · 发表于 2021-12-7 11:37:30

redroof 发表于 2021-12-7 11:09
我手上现在只有一种固态电容，180uF的，4G模块的供电部分只需要一个，再加两个47uF的MLCC就足够了。
这样 ...

4g模块才多大电流。。你找1.5mhz的5v低压dcdc，随便造都没问题。

ackyee · 发表于 2021-12-7 13:02:02

本帖最后由 ackyee 于 2021-12-7 13:09 编辑

大致看了下提3个建议

1.  我感觉layout 的布局也有点问题，DCDC断开时，二极管的回流路径  经过芯片了(最要命的是这一点是后面所有负载的总接地路径)  会造成芯片参考地跟着DCDC开断轻微波动（整个板子以及负载的GND）    后面再版可以参考下官方手册第38页的布局，  或者背面做地覆铜

2.  还有一个问题 1A  40MIL  2mm 你这边3A 理论上留余量的话需要走120mil 6mm    看你电感出来总的负载线太细（  负载的电源和GND 都同时要保障粗细，因为电流是会沿着GND流回的）

3.  你说的 5.23V  经过一个LDO 就到5V  这个在大电流情况下不可能实现，即使抛开 LDO最大电流不说， LDO 有个VDROP ，电流越大 VDROP越大

R88 · 发表于 2021-12-7 13:48:15

R88 · 发表于 2021-12-7 14:16:31

输出连接器不应该直接从输出电容两端引线出去么。地线绕了。。
把开管的噪声滤除一下可以减小200mv纹波。在二极管两端加RC。。
650KHZ的频率有说加高频电解电容的，不清楚高频电解电容谐振频率多少，我记得电解电容就300kHz以内适用啊。。
陶瓷电容ESR都很小，建议在并几个同规格的输出电容增加容量看看效果。。

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 15:05:09

感谢各位朋友的热情回复，我初步整理了一下各位的建议，打算做如下改进：
1、输入、输出电容改为固态电容试试（谢谢@redroof和@wye11083）
2、输出电容的位置修改了一下，减小环路面积，并预留了一个0603MLCC的位置（谢谢@cne53102和@xly的建议）
3、将输出连接器的GND回路走线调整了一下，不再经过芯片下方（谢谢@ackyee的建议）
4、部分地方增加了线宽
5、背面覆铜了，并在芯片底部加了6个过孔以增强散热（但是其他地方我没敢增加过孔，怕回路电流走向不按预期又产生噪声了）

另外，输入、输出电容和电感，我都准备了两三种，因为封装一样就看不出来了，等板子出来再测试。

下面是我改动后的效果图，请各位看一眼，如果可以我就按照这个打一版看看效果。

locky_z · 发表于 2021-12-7 15:17:07

这帖子讲的比较清晰”buck电路原理及PCB布局与布线注意事项讲解“
http://www.51hei.com/bbs/dpj-155852-1.html

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 16:19:49

locky_z 发表于 2021-12-7 15:17
这帖子讲的比较清晰”buck电路原理及PCB布局与布线注意事项讲解“
http://www.51hei.com/bbs/dpj-155852-1. ...

谢谢推荐。

我找到了这个帖子的英文原文，是rohm的一篇application notes. 《PCB Layout Techniques of Buck Converter》

我上载一下。

cne53102 · 发表于 2021-12-7 17:09:21

Rabbitoose 发表于 2021-12-7 09:07
都1点了还在帮我解答问题，恐怕一句感谢不足以回报啦~

首先关于电容的计算问题，根据你的分析，我粗略翻 ...

那个IC里面的功率管有ON和OFF两个状态，将整个电路简化一下如下：

ON时，电流从输入电容C1出发，通过功率管Q和电感L对输出电容C2和负载供电。
OFF时，由于电感L的存在，电流从电感L到输出电容C2在通过二极管D回来构成回路。

这两个都是电流高频变动的区域，会“释放污染”，其中Area A的影响比Area B的影响大，但输入电容楼主放的位置已经可以了，Area B的区域再修改一下就更好。

另外注意，这些电流流过的GND部分的铜的电阻和电感都不是0，所以GND上会有压差，这个地上的压差也会有影响。

电感比成水泵不太对，如果说水的电流的话，那电感就是很长的一段管子，里面的水[有惯性]。

就好象车有惯性一样，不会一脚下去立刻就300km/h，也不会松脚就像撞墙了一样立刻停止，所以可以踩一下松一下，保持在60km/h行驶。

尝试在29楼最新的图上标一下：

29楼这里，C37和C36建议互换位置，MLCC贴片电容的ESL和ESR都非常低，离的近一些比较好（虽然在这个尺寸上可能没有多大区别）

cne53102 · 发表于 2021-12-7 17:34:12

Rabbitoose 发表于 2021-12-7 15:05
感谢各位朋友的热情回复，我初步整理了一下各位的建议，打算做如下改进：
1、输入、输出电容改为固态电容试 ...

如果可以，电源尽量不要用0603的电容，很多时候性能和可靠性上有劣势，价格上也不一定有优势，尤其输入可达24V。。建议用0805或1206的。0805我自己最多只用到12V。

也别都是大容量的，可以无脑地在输入输出多放个0.1uf，大多数情况下只会有好事不会有坏事。

另外楼主12楼提到输出电容在输出座子附近，这个是可以的，座子附近可以放电容，但这个输出座子附近放电容一定是额外的电容，不能是构成DCDC电路的那个电容。

Rabbitoose · 发表于 2021-12-7 22:37:45

cne53102 发表于 2021-12-7 17:34
如果可以，电源尽量不要用0603的电容，很多时候性能和可靠性上有劣势，价格上也不一定有优势，尤其输入可 ...

谢谢再次回复，又给我提了这么多具体实用的建议，尤其是mlcc的选用，看得出都是实践实操经验，我目前还没有量产过什么，所以考虑比较少，但是我以后在设计中可以直接参照。

这次的板子我刚才在5点钟的时候又下单了，因为我做事比较急。
所以这几点好建议我得在下一版或下次设计中再实战一下试试看。

I owe you one.

Rabbitoose · 发表于 2021-12-11 23:16:35

大家好，今天配件终于到齐了，所以把调整过的板子装起来测试了一下，
相比上一次的改动有：
1、加粗了导线；
2、GND回流的走线避开了芯片下方；
3、调整了输出电容的位置，让二极管、电感、输出电容的环路更紧凑；
4、输入电容从100uF电解改为100uF固态，输出电容从2个47uF MLCC改为了1个470uF固态加1个100nF MLCC；
5、电感从10uH改为了15uH；
6、增加了背面覆铜；
7、输入电容靠近IC的VIN脚（很有限，肉眼看不出）。

测试总结如下：
1、从0.1mA跑到3.5A，Vpp始终在80mV左右，比上一版好很多，后面附有波形图。
2、由于背面覆铜了，散热效果能感觉到改善。芯片最烫，但即使跑在3.5A时，仍然可以把手指放在上面，有些烫手但是不至于立即弹开。
3、转换效率最低85%，最高92%。（如果去掉线路损耗，则效率还要更高，因为我连接电源负载的线比较长比较细，电流增大后压降比较大，线路损耗有2.6%）。

疑问：
波形图上显示的电压波动始终是一个大波一个小波互相间隔，这可能是怎么造成的？如果大波能消除，那Vpp将会非常好看。

最后，谢谢你们热心的回复，我觉得我对DC-DC电路稍微有些入门了，收获满满！！！

hugohehuan · 发表于 2021-12-12 23:21:40

你的探头衰减选对了么……
最后一张图的那种东西我从来都不看的，输入电源和示波器都用锂电池供电就能没掉

wycox · 发表于 2021-12-12 23:47:33

官方布线参考对反馈电压的连接点有特别说明。

cne53102 · 发表于 2021-12-13 01:22:33

Rabbitoose 发表于 2021-12-11 23:16
大家好，今天配件终于到齐了，所以把调整过的板子装起来测试了一下，
相比上一次的改动有：
1、加粗了导线 ...

接下来可以做的有：
1.继续改进布局，比如37楼wycox所说的反馈电压的连接点。
2.MLCC修改至更安全和廉价的封装尺寸和耐压。
3.C37串联一个小电阻，建议小于10欧。
4.D1并联一个[电阻串电容]。

其中3、4对那个[大波]的问题会有效，但是，这是有代价的，会降低效率，如果搞的过头，IC内部的MOS甚至可能会损坏，安装这两个部分的dcdc电路并不多，大多数情况下是不必要的。

相关关键词：DCDC, BUCK, RBOOT, 缓冲电路，自举电阻，EMI抑制

也可以看看TI的这个文章：
https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/posts/emi-5-fet-emi

Rabbitoose · 发表于 2021-12-13 07:57:51

好的我再试试，谢谢你们，尤其是cne53102大哥。我想跟你说，我曾经持有一个域名叫wwwease.com很多年，www代表网络，ease代表容易，并且我还开发了一个以此为名的内容管理系统，靠它混了几年饭吃。

cne53102 · 发表于 2021-12-13 20:08:26

Rabbitoose 发表于 2021-12-13 07:57
好的我再试试，谢谢你们，尤其是cne53102大哥。我想跟你说，我曾经持有一个域名叫wwwease.com很多年，www代 ...

别大哥，我大概是比你小的。

域名不错

cloudxxcloud · 发表于 2021-12-16 13:43:10

楼主的稳压电源it6302a 是在哪里购买的？示波器的带宽是多大的?1Ghz?

我该如何分析我的TPS54360板子的纹波问题（附大量图）？

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阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！

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