Ho un design schierato in cui stiamo riscontrando un alto tasso di guasto (~ 4%) nella parte del convertitore buck step-down da 12 V a 5 V del PCB. Il ruolo del convertitore buck nel circuito è di ridurre l'ingresso a 12 V (da una batteria al piombo acido) a 5 V, che viene quindi alimentato a una presa USB-A per la ricarica della batteria.

Tutte le unità restituite hanno lo stesso CI del convertitore buck esploso.

L'IC è un TPS562200DDCT di Texas Instruments (produttore affidabile, quindi ho sentito)

Ecco la scheda tecnica.

Ecco una foto di un'unità guasta:

Ecco lo schema:

Ecco uno sguardo al file di progettazione PCB per quella sezione della scheda:

Nell'analizzare il guasto dell'IC del convertitore buck, penso che sia possibile ignorare il circuito di interruzione della batteria scarica. Quella parte del circuito utilizza semplicemente una tensione di riferimento e un FET passa basso per tagliare il terminale negativo della batteria dal resto del circuito quando la tensione della batteria scende al di sotto di 11 V.

Mi sembra che un corto circuito esterno su un dispositivo collegato alla presa USB non sarebbe un colpevole, poiché il TPS562200DDCT ha una protezione da sovracorrente incorporata:

7.3.4 Protezione corrente Il limite di sovracorrente in uscita (OCL) è implementato utilizzando un circuito di controllo di rilevamento valle ciclo per ciclo. La corrente dell'interruttore viene monitorata durante lo stato OFF misurando il drain FET sul lato inferiore alla tensione della sorgente. Questa tensione è proporzionale alla corrente dell'interruttore. Per migliorare la precisione, il rilevamento della tensione è compensato dalla temperatura. Durante il tempo di accensione dell'interruttore FET high-side, la corrente dell'interruttore aumenta a una velocità lineare determinata da VIN, VOUT, dal tempo di accensione e dal valore dell'induttore di uscita. Durante il tempo di accensione dell'interruttore FET lato basso, questa corrente diminuisce in modo lineare. Il valore medio della corrente di commutazione è la corrente di carico IOUT. Se la corrente monitorata è al di sopra del livello OCL, il convertitore mantiene attivo il FET low-side e ritarda la creazione di un nuovo impulso impostato, anche il circuito di feedback della tensione ne richiede uno, fino a quando il livello corrente diventa OCL o inferiore. Nei cicli di commutazione successivi, il tempo di accensione viene impostato su un valore fisso e la corrente viene monitorata allo stesso modo. Se la condizione di sovracorrente presenta cicli di commutazione consecutivi, la soglia OCL interna viene impostata su un livello inferiore, riducendo la corrente di uscita disponibile. Quando si verifica un ciclo di commutazione in cui la corrente di commutazione non supera la soglia OCL inferiore, il contatore viene resettato e la soglia OCL viene ripristinata al valore più alto. Vi sono alcune considerazioni importanti per questo tipo di protezione da sovracorrente. La corrente di carico è superiore alla soglia di sovracorrente di metà della corrente di ondulazione dell'induttore picco-picco. Inoltre, quando la corrente viene limitata, la tensione di uscita tende a diminuire poiché la corrente di carico richiesta può essere superiore alla corrente disponibile dal convertitore. Ciò può causare la caduta della tensione di uscita. Quando la tensione VFB scende al di sotto della tensione di soglia UVP, il comparatore UVP la rileva. Quindi, il dispositivo si spegne dopo il tempo di ritardo UVP (in genere 14 μs) e si riavvia dopo il tempo di singhiozzo (in genere 12 ms).

Quindi, qualcuno ha idea di come sia potuto succedere?

MODIFICARE

Ecco un link a un progetto di riferimento che ho usato per elaborare i valori dei componenti e i punti operativi per il convertitore buck utilizzando TI WEBENCH Designer:
https://webench.ti.com/appinfo/webench/scripts/SDP.cgi?ID = F18605EF5763ECE7

MODIFICARE

Ho fatto alcuni test distruttivi qui in laboratorio e posso confermare che ottengo un mucchio di plastica fusa dall'aspetto molto simile a quello che era il convertitore Buck se collegavo la batteria con la polarità inversa. Poiché la nostra scelta del connettore della batteria offre una probabilità relativamente elevata di plug-in di polarità inversa accidentale (diciamo, 4% di probabilità -> occhiolino occhiolino), sembra probabile che ciò sia responsabile della maggior parte dei guasti che abbiamo osservato.

Sospetto una sovratensione sul chip, con una seconda possibilità di saturazione dell'induttore come suggerito da @oldfart in un commento.

Il bypass di alimentazione è un condensatore elettrolitico, un po 'lontano dal chip ed è un piccolo elettrolitico, quindi ha un ESR relativamente elevato (e, sfortunatamente, un ESR che aumenterà con l'invecchiamento del condensatore).

La corrente di ondulazione in ingresso, in combinazione con l'induttanza parassita dal cablaggio, può causare sovratensione sull'ingresso del chip. Suggerisco di testarlo con un alimentatore con fili lunghi e testare ai limiti della gamma di approvvigionamento. Metti un oscilloscopio sulle barre di alimentazione e guarda quanto sono grandi i picchi. Un condensatore ceramico da 22 µF con un elettrolitico (ad es. 1000 µF / 25 V 105 ° C) in parallelo, se si dispone di spazio, sarebbe molto meglio. Verificare che la ceramica "22 µF" sia superiore a 10 µF alla massima tensione operativa. Dovrebbe essere il più vicino possibile al chip. E, naturalmente, è meglio seguire le pratiche di layout suggerite nel foglio dati quanto più pratiche.

La saturazione dell'induttore è un problema diverso: tende a verificarsi alla minima tensione di alimentazione in cui la corrente di ingresso è massima. Puoi testarlo bypassando il blocco della sottotensione e riducendo l'ingresso ben al di sotto del minimo normalmente previsto. I sintomi sarebbero un'eccessiva dissipazione di potenza nel chip.

Problema: condensatore ESR economico a buon mercato e ignorando le note applicative di progettazione.

modificare

Ignorando le applicazioni dell'auto se non applicabile, prendere nota dei requisiti per i condensatori a basso ESR.

Per questa progettazione vengono utilizzati due condensatori di uscita TDK C3216X5R0J226M 22 μF. L'ESR tipico è di 2 mΩ ciascuno. La corrente RMS calcolata è 0,286 A e ciascun condensatore di uscita è valutato per 4 A.

Si noti che 22 μF * 2 mΩ = τ = 0,044 μs sono eccellenti prestazioni ceramiche, dove i condensatori elettrolitici a basso ESR sono <1 μs e i condensatori elettrolitici per uso generale >> 100 μs. Dal momento che f >> 50 kHz questo è fondamentale per la regolazione e migliorato con tre delle parti suggerite in parallelo.

È impossibile ottenere questo basso ESR * C = τ in un condensatore elettrolitico in alluminio, anche con tipi di ESR bassissimi. Questo è il motivo per cui la ceramica viene utilizzata in questo design.

Se l'ESR è troppo elevato e vengono applicati carichi a gradino reattivo, vi sono maggiori possibilità di instabilità, tensione di ondulazione più elevata e superamento.

Se non si dispone di un design automobilistico o di specifiche di test o di un piano di test DVT con prove di stress, questo design non è stato completato correttamente.

Il foglio dati raccomanda che C4 sia un condensatore ceramico a basso ESR (da 20 µF a 68 µF). Sembra che tu abbia un elettrolitico da 22 µF. Tutti gli esempi di schede tecniche mostrano due 10 µF in parallelo. Il valore reale probabilmente dipende dalla frequenza. Non ho idea se questo possa o meno essere un problema. Ma...

Ho avuto un errore MC34063, perché il condensatore di ingresso era inadeguatamente basso o aveva un ESR elevato. Di solito si sono verificati guasti allo spegnimento, ma ciò potrebbe non essere rilevante in questo caso.

Attraverso test distruttivi qui in laboratorio, sembrerebbe che la causa più probabile di questo mucchio fuso di interiora del convertitore buck sia stata l'applicazione della polarità inversa al convertitore buck.

Grazie a tutti per le vostre intuizioni, li userò sicuramente per migliorare la prossima iterazione di questo progetto.

Se si intende visitare nuovamente il progetto, la scelta di un componente con una soglia di Abilitazione più strettamente controllata consentirebbe di sostituire l'intero circuito di interruzione della bassa tensione con un semplice divisore potenziale sul pin EN. Questo risparmio sui costi pagherebbe per il nuovo dispositivo e potrebbe dare un po 'di budget per alcuni componenti di protezione. Il TPS562200 potrebbe limitare la corrente fino a 5,3 A. L'induttore è probabilmente molto saturo da allora.

Vorrei suggerire che la parte molto piccola sta diventando calda quando un carico viene posizionato su di esso e si brucia. Inoltre, il layout della scheda non mostra molto nel modo in cui si utilizza il rame come dissipatore di calore a livello di scheda per la parte.

Potrebbe essere necessario trovare uno spargitore di calore, utilizzare un pacchetto con un cuscinetto termico integrato e / o trovare un'altra parte in un pacchetto molto più robusto.