EXPARTAN-6Tの電源の問題を解決

Spartan-6LXTを使った新しいPCI Express評価ボード「EXPARTAN-6T」の電源の問題が解決しました。

EXPARTAN-6Tはこんなボードです。

このボードの電源は、ACアダプタ、PCIeバスパワー、USBからの給電、と3つの中から選ぶことができます。

ACアダプタとUSBを選択する場合は、基板上の5V→3.3Vのスイッチングレギュレータを使います。しかし、このスイッチングレギュレータがなかなか上手くうごかなくて、いままで、ずーっとこんな波形が出て悩んでいたのです。

どうみても安定化電源ではありません。これじゃ不安定化電源です。一応、FPGAは動作しますが、1Vのリップルが乗っているとEZ-USB FX2が動作しませんでした。

補償回路のCRの値が悪いのか、出力コンデンサのESRか、コイルが悪いのか、フィードバック抵抗やスロースタートコンデンサや周波数設定抵抗のところにノイズが乗っているのか、・・とほぼすべての部品をとっかえひっかえしながら一週間ほど悩んでいました。

インスピレーションを感じてもう一枚の基板に電源回路だけ組み上げてみると、見事に綺麗な波形が出るではないですか！

結論は、レギュレータのICが壊れていたのです。このICを取り換えたらうまく動くようになりました。
ICを取り換えたくても、パワーパッド付きのQFNを鉛フリー半田でがっちりつけているので、そう簡単には外れません。ヒートガンで炙ってようやく外れました。

次の写真は、ICを交換した後の写真です。ヤニでちょっと汚れています。

さて、今回選択したレギュレータICは、TI社のTPS54318というものです。

この電源ICは、立ち上がり時間は外付けコンデンサで調節することができます。現在の回路では4msになっています。オーバーシュートすることも波打つこともなく、綺麗に立ちあがっていきます。

電源ICの負荷に約3Ωの抵抗を(手で)つないだり外したりして、負荷電流を0A→1A→0Aと変化させてみると、100mVくらい変化します。3.3Vに対しての0.1Vですから3%で上出来です。

補償用のCRを調整すれば、もっと減らせられるのかもしれません。

ピンセットで3.3VとGNDを短絡させてみると、小さな火花が出ます。結構熱くなりますが、電源ICは安全にシャットダウンします。復旧するときには少しだけヒゲが出ますが、巨大なオーバーシュートが出たりすることもなく、許容範囲内で収まります。

さらに、この基板のFPGAにPCI Expressのコンフィギュレーションデータを書き込んでみると、消費電流は約450mA(DC5Vの部分で測定した値)と、USBで給電できる範囲内でした。

電源は大丈夫そうなので、一安心です。
PCI Expresのケーブル接続や、SATA、DDR2 SDRAMの機能の確認を急ぐことにします。