Почему IC преобразователя доллара сломается и взорвется?

19

У меня есть развернутая конструкция, в которой мы наблюдаем высокую (~ 4%) частоту отказов в понижающем понижающем преобразователе 12В на 5В на печатной плате. Роль понижающего преобразователя в цепи заключается в понижении напряжения на входе 12 В (от подключенной свинцово-кислотной батареи) до 5 В, которое затем подается на гнездо USB-A для зарядки аккумулятора.

Все возвращаемые блоки имеют одинаковую характеристику преобразователя с раздувом.

Микросхема представляет собой TPS562200DDCT от Texas Instruments (авторитетный производитель, насколько я слышал)

Вот таблица данных.

Вот картина неисправного устройства:

введите описание изображения здесь

Вот схема:

введите описание изображения здесь

Вот посмотрите на файл дизайна печатной платы для этого раздела платы:

введите описание изображения здесь

Анализируя неисправность интегральной схемы понижающего преобразователя, я думаю, что вы можете игнорировать цепь отключения низкого заряда батареи. Та часть схемы просто использует опорное напряжение и на сторону низкого проход FET , чтобы отрезать отрицательную клемму аккумулятора от остальной части схемы , когда напряжение аккумулятора падает ниже 11 В.

Мне кажется, что внешнее короткое замыкание на устройстве, подключенном к USB-разъему, не было бы причиной, поскольку в TPS562200DDCT встроена защита от перегрузки по току:

7.3.4 Защита по току Предел выходного тока перегрузки по току (OCL) реализован с использованием схемы управления циклическим определением долины. Ток переключения контролируется во время состояния ВЫКЛ путем измерения стока FET на стороне низкого напряжения и напряжения источника. Это напряжение пропорционально току переключателя. Для повышения точности измерения напряжения с температурной компенсацией. В течение времени включения переключателя полевого транзистора на стороне высокого тока ток переключателя увеличивается с линейной скоростью, определяемой VIN, VOUT, временем включения и значением выходного индуктора. Во время включения переключателя FET на нижней стороне этот ток уменьшается линейно. Среднее значение тока переключения - это ток нагрузки IOUT. Если контролируемый ток выше уровня OCL, преобразователь поддерживает FET на нижней стороне и задерживает создание нового установленного импульса, даже если петля обратной связи по напряжению требует этого, пока текущий уровень не станет уровнем OCL или ниже. В последующих циклах переключения время включения устанавливается на фиксированное значение, а ток контролируется таким же образом. Если условие перегрузки по току существует в последовательных циклах переключения, внутренний порог OCL устанавливается на более низкий уровень, что уменьшает доступный выходной ток. Когда происходит цикл переключения, когда ток переключения не превышает нижнего порога OCL, счетчик сбрасывается, и порог OCL возвращается к более высокому значению. Есть несколько важных соображений относительно этого типа защиты от перегрузки по току. Ток нагрузки выше порога перегрузки по току на половину пикового тока пульсации индуктора. Кроме того, когда ток ограничен, выходное напряжение имеет тенденцию падать, поскольку требуемый ток нагрузки может быть выше, чем ток, доступный от преобразователя. Это может привести к падению выходного напряжения. Когда напряжение VFB падает ниже порогового напряжения UVP, компаратор UVP обнаруживает его. Затем устройство выключается по истечении времени задержки UVP (обычно 14 мкс) и перезапускается после времени сбоя (обычно 12 мс).

Итак, кто-нибудь знает, как это могло произойти?

РЕДАКТИРОВАТЬ

Вот ссылка на эталонный дизайн, который я использовал для определения значений компонентов и рабочих точек для понижающего преобразователя с помощью TI WEBENCH Designer:
https://webench.ti.com/appinfo/webench/scripts/SDP.cgi?ID = F18605EF5763ECE7

РЕДАКТИРОВАТЬ

Я провел некоторые деструктивные испытания здесь, в лаборатории, и могу подтвердить, что получаю очень похожую кучу расплавленного пластика, где раньше был конвертер Бака, если я подключал батарею с обратной полярностью. Поскольку наш выбор разъема для батареи обеспечивает относительно высокую вероятность случайных подключений плагинов обратной полярности (скажем, 4% вероятности -> подмигивание), вполне вероятно, что это является причиной большинства сбоев, которые мы наблюдали.

macdonaldtomw
источник
3
Что еще, если что, связано с этой батареей? Это заряжено с подключенной цепью? Абс. Максимальное значение для этого чипа составляет всего 17 В, что незначительно по сравнению с 13,8 В свинцово-кислотного элемента под зарядкой.
Спехро Пефхани
9
Будучи автомобильным приложением, я не вижу защиты от перенапряжения и обратного напряжения в автомобиле и повышения
напряжения +24 В
5
В техническом описании не соблюдаются некоторые рекомендации по компоновке, и в нем также рекомендуется использовать керамический колпачок вместо алюминиевого электролитического электролита, который у вас есть.
Brhans
4
Он нагревается при нормальных условиях эксплуатации? У меня было это дважды: 1 / С дизайном, который имел неправильную индукцию. (Ток насыщения) 2 / A (другой) дизайн, где 5 В было подано обратно из порта USB.
Oldfart
4
TI авторитетный производитель? Я не уверен. Поддержка плохая, и у меня было несколько плохих операционных усилителей с недостатками дизайна
Voltage Spike

Ответы:

16

Я подозреваю перенапряжение на микросхеме со второй возможностью насыщения индуктивности, как @oldfart предложил в комментарии.

Ваш обход питания - это электролитический конденсатор, немного далекий от микросхемы и небольшой электролитический, поэтому он имеет относительно высокое СОЭ (и, к сожалению, СОЭ, который будет увеличиваться по мере старения конденсатора).

Входной пульсационный ток в сочетании с паразитной индуктивностью от проводки может привести к перенапряжению на входе микросхемы. Я предлагаю протестировать его с источником питания с длинными проводами и проверить в пределах диапазона питания. Поместите осциллограф на шины питания и посмотрите, насколько велики шипы. Керамический конденсатор 22 мкФ с электролитической (например, 1000 мкФ / 25 В 105 ° C) параллельно, если у вас есть место, был бы намного лучше. Убедитесь, что керамика "22 мкФ" превышает 10 мкФ при максимальном рабочем напряжении. Это должно быть как можно ближе к чипу. И, конечно же, лучше всего следовать рекомендациям по компоновке в таблице данных как можно точнее.


Насыщение индуктивности - это другая проблема - это может происходить при минимальном напряжении питания, когда входной ток максимален. Вы можете проверить это, обойдя блокировку минимального напряжения и уменьшив входную мощность значительно ниже ожидаемого минимума. Симптомами будет чрезмерное рассеивание мощности в чипе.

Спехро Пефхани
источник
13

Проблема: дешевый конденсатор с высокой ESR и игнорирование замечаний по проектированию.

редактировать

Не обращая внимания на применение в автомобиле, если оно не применяется, обратите внимание на требования к конденсаторам с низким ЭПР.

Для этой конструкции используются два выходных конденсатора TDK C3216X5R0J226M 22 мкФ. Типичная СОЭ составляет 2 мОм каждая. Расчетный среднеквадратичный ток составляет 0,286 А, а каждый выходной конденсатор рассчитан на 4 А.

Обратите внимание, что 22 мкФ * 2 мОм = τ = 0,044 мкс - это отличные керамические характеристики, где электролитические конденсаторы с низким ЭПР составляют <1 мкс, а электролитические конденсаторы общего назначения >> 100 мкс. Поскольку f >> 50 кГц, это имеет решающее значение для регулирования и улучшено с помощью трех из предложенных частей параллельно.

Невозможно достичь этого низкого ESR * C = τ в алюминиевом электролитическом конденсаторе, даже с типами ультранизкого ESR. Вот почему керамика используется в этом дизайне.

Если ESR слишком велик и применяются реактивные ступенчатые нагрузки, тогда больше шансов на нестабильность, более высокое пульсирующее напряжение и выбросы.

Если у вас нет автомобильного дизайна или технических условий испытаний или плана испытаний DVT со стресс-тестированием, этот проект не был выполнен должным образом.

Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник
1
Спасибо за информацию, интересно! Однако я не думаю, что это относится к нашему дизайну, поскольку наша печатная плата никогда не подключается к машине.
Macdonaldtomw
@macdonaldtomw Если у вас были наихудшие входные характеристики окружающей среды и переходные входные напряжения, DVT планируют эти сбои с отказом по перегреву, которые будут обнаружены на этапе проектирования, а не в полевых условиях.
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
Отличный момент. См. Ti.com/lit/an/slva546/slva546.pdf для описания внутренней компенсации. Выходной ноль является критическим, и вычисленная 45-градусная точка (1 / (2 * pi * Cout * ESRout) должна быть немного выше двойного полюса для стабильности. Высокий предел ESR будет тянуть этот ноль настолько низко, что система может быть маргинальность для стабильности, когда принимаются во внимание допуски компонентов
Питер Смит
8

В техническом описании рекомендуется использовать керамический конденсатор с низким ESR (от 20 мкФ до 68 мкФ). Кажется, у вас электролит 22 мкФ. Все примеры данных таблицы показывают две 10 мкФ параллельно. Фактическое значение, вероятно, зависит от частоты. Я понятия не имею, может ли это быть или не быть проблемой. Но...

У меня был сбой MC34063, потому что входной конденсатор был неоправданно низким или имел высокое ESR. Сбой обычно происходил при отключении питания, но здесь это может быть не актуально.

Indraneel
источник
1

Благодаря деструктивным испытаниям здесь, в лаборатории, выяснилось, что наиболее вероятной причиной этой расплавленной груды внутренностей преобразователя доллара было применение обратной полярности к преобразователю доллара.

Спасибо всем за ваши идеи, я обязательно буду использовать их для улучшения следующей итерации этого проекта.

macdonaldtomw
источник
Кроме того, я только что наблюдал состояние перенапряжения, которое вызывало то же самое на другой плате (то есть вызвало возгорание и быстрое таяние микросхемы BUCK).
Macdonaldtomw
0

Если вы намереваетесь повторно посетить конструкцию, выбор детали с более жестко контролируемым порогом включения позволит заменить всю цепь отсечки низкого напряжения простым делителем потенциала на выводе EN. Эта экономия затрат окупит новое устройство и может дать некоторый бюджет для некоторых компонентов защиты. TPS562200 может ограничивать ток до 5,3А. К тому времени индуктор, вероятно, сильно насыщен.

Андрей Белый
источник
Отличная идея, однако мне нужно отключение по низкому напряжению, чтобы остановить ток, протекающий и к 12-вольтовым гнездам (а не только к понижающему преобразователю 5 В).
Macdonaldtomw
Ах, да, это правда :-)
Эндрю Уайт
-1

Я бы предположил, что очень маленькая часть нагревается, когда на нее помещается нагрузка и она просто перегорает. Компоновка платы также не сильно отличается от использования меди в качестве радиатора уровня платы для детали.

Возможно, вам придется либо придумать распределитель тепла, использовать пакет со встроенной тепловой подушкой и / или найти другую деталь в более удобной упаковке.

Майкл Карас
источник
+1 Я второй этот совет. Первым делом необходимо проверить работоспособность преобразователя в диапазоне нагрузок и входов. Эта микросхема крошечная, и любое несовершенство компоновки платы или неправильное качество компонентов может привести к перегреву.
Ale..chenski