電源管理: TPS54339故障案例分析
摘要
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202401/455260.htmTPS54339是TI于2013年推出的基于D-CAP控制模式、輸入電壓4.5V-23V, 3A 的同步整流的BUCK Converter, 廣泛應(yīng)用于低壓系統(tǒng)中。本文主要介紹一則故障案例,通過本案例的分析,給出D-CAP控制方式下FCCM模式器件,當備用電源電壓高于BUCK預(yù)設(shè)輸出電壓時,存在的風(fēng)險,實驗測試結(jié)果,以及規(guī)避該風(fēng)險的方法。
背景介紹
客戶使用FCCM模式的TPS54339DDAR器件,用于12V轉(zhuǎn)5V,同時有備用電源的需求,備用電源經(jīng)由開關(guān)電路S1連接到BUCK的輸出母線上。當檢測到TPS54339輸入電壓低于10V時,開關(guān)電路S1閉合,系統(tǒng)由備用電池供電。
圖1: 系統(tǒng)框架圖
備注:
BUCK 設(shè)置的輸出電壓稱為V_target
BUCK端實際的輸出電壓稱為V_out;
備份電池電壓稱之為V_backup;
故障描述
由TPS54339手冊得知,在下降沿,只有EN電壓低于0.6V才會關(guān)閉,UVLO低于3.45V,芯片才會停止工作。在打開備用電源時,芯片的EN和UVLO都處于使能狀態(tài),所以芯片處于正常工作狀態(tài)。且備用電池額定電壓5.4V, 電池電壓最高可以充到5.6V,經(jīng)過開關(guān)電路S1之后,到達BUCK母線上的電壓可能高達5.3V。這樣就導(dǎo)致V_out > V_target且TPS54339處于使能狀態(tài)。在D-CAP的FCCM模式下,這樣會導(dǎo)致輸入側(cè)電壓升高,從而導(dǎo)致芯片輸入側(cè)過壓擊穿短路。故障表現(xiàn)為TPS54339的1/2/3/6引腳對地短路。
圖2:TPS54339 block diagram
根因分析
假設(shè)VIN能建立一個穩(wěn)定的電壓,那么整個BUCK變換器處于穩(wěn)定工作,則必須滿足伏秒平衡以及電感電流平衡。
由于V_out > V_target,BUCK的下管會持續(xù)開通,直到觸發(fā)芯片的NOC(負向電流)保護。所以
由于穩(wěn)定工作,所以結(jié)合上式可以得出以下等式:
由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,工作狀態(tài)下,將會是很小的一個值,所以VIN端會存在高壓的風(fēng)險。
實驗結(jié)果
以TPS54339EVM-056為測試板,僅將R1電阻由8.25KΩ修改為120KΩ。給輸出端加一定電壓,測試輸入端電壓。12V輸入時,額定空載輸出電壓為5.25V。
輸入輸出端空載實驗
將輸出電壓調(diào)整5.26V-5.32V,可以看到,輸入端的電壓高達33V,已經(jīng)超過了TPS54339 VIN引腳最大耐壓25V,可能會對器件造成永久性損壞。
表1:BUCK輸入輸出端空載測試結(jié)果
圖3:V_backup電壓為5.32V時,TPS54339不同引腳波形
輸入端空載實驗,輸出0-3A帶載實驗
測試結(jié)果同輸入輸出端空載一致。實際做實驗時,需要注意線損電壓,因為0.01V的壓降,都會對輸入端的電壓值影響很大。
輸入端30mA帶載實驗,輸出空載實驗
考慮到在實際系統(tǒng)中,TPS54339的輸入端可能同樣會有負載。這里以TPS54339輸入端有30mA負載為例。測試結(jié)果如下:
表2:BUCK輸入端30mA負載,輸出端空載測試結(jié)果
結(jié)論
D_CAP控制模式的FCCM器件,當用于需要備用電源的系統(tǒng)時,應(yīng)注意備用電源的電壓不能比BUCK預(yù)設(shè)的電壓高,否則可能會出現(xiàn)輸入側(cè)出現(xiàn)高壓的場景。
對于備用電源電壓高于BUCK預(yù)設(shè)電壓的系統(tǒng),建議選擇輕載調(diào)頻模式的器件,比如TPS54339EDDAR或者控制EN腳,使輸入掉電時,快速關(guān)斷EN,從而讓芯片停止工作。如果不是很關(guān)注系統(tǒng)效率也可以在BUCK輸出后再串聯(lián)一個二極管,這樣防止電流倒灌。
參考文獻
Texas Instruments, Analysis and Risk Assessment of Adaptive On-time Control Device in Bias Standby Operation, application note.
Texas Instruments, 4.5 V to 23 V Input, 3-A Synchronous Step-Down SWIFT
Converter, data sheet.
Texas Instruments, TPS54339 Step-Down Converter Evaluation Module User's Guide, EVM user’s guide.
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