电源输入电压范围裕量太小导致的设备运行故障

 

 

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高速电路设计进阶  

【案例2.38】电源输入电压范围裕量太小导致的设备运行故障

 

       某设备批量生产并销售后，在某个客户处多台设备出现故障。调试发现，故障发生的共同原因是单板上的一颗电源芯片损坏。多台损坏的单板中，有的表现为输入电压引脚和接地引脚短路，有的表现为输入电压引脚和开关节点引脚短路。

 

       该电源芯片将电源电路MOSFET集成在片内，从故障现象初步推断，该问题很可能和芯片在输入端承受的冲击有关。通过在客户现场测试发现，客户将设备（称为A）的50V供电端子和另一台大攻率设备（称为B）的供电端子接在一起，在A工作过程中，若启动B，由于B设备无缓启动电路，则在B启动过程中会产生大幅度的电流冲击振荡，进而在50V上产生电压振荡，振荡峰值达到70V，而A设备电源芯片的输入电压最大极限只能达到60V。所以确定故障原因是，由于输入电压承受了超过极限值的尖峰，在多次冲击后，芯片被电压击穿损坏。

 

       【扩展】

       在电源意片的选择过程中，需关注芯片所允许的输入电压范围。这个输入范围，有多重含义：

         ①    芯片所允许的极限输入范围，这个参数一般在“Absolute Maximum Ratings”（最大极限范围）表格中定义，超出该范围，芯片可能会受到损坏或因构成潜在片内损伤而影响长期可靠性，本案例就属于这一类情况。

     ②  芯片推荐输入范围。这个参数一般在“Recommended Operating Conditions”（推荐工作范围）表格中定义，超出该范围，芯片的正常工作可能会受到影响。TPS54620的推荐输入范围为4.5～17V。

        ③    芯片的输入过压、欠压阈值。芯片工作过程中，一旦越过这些阈值，芯片就会进入保护模式。有的芯片的阈值是片内固定的，有的芯片的阈值可以在片外通过分压电阻等进行设置，不同芯片保护模式的实现方式也不同，需具体问题具体分析。

       在选型时，需对产品不同的应用环境进行具体分析，确定芯片输入电压是否距离以上范围有足够的裕量。有时，不同客户运行环境差异很大，找到最恶劣的情况并把这种情况作为设计边界，同时构建相应的测试用例，是设计和测试的重要关注点。

       以通信设备为例，由于大多数通信机房工作环境比较稳定，所以针对50V的输入工作电压，选择输入电压极限为60V的电源芯片或电源模块是完全可行的；但若工作环境改变，设计选型可能就需要随之变化。笔者曾经评审过的一款需组装在高速列车上的通信设备，输入电压相对于极限值的裕量就需要高得多。同理，片上各参数值相对于阈值的裕量，也需要根据具体工作环境而确定。

 

        2.电源输出电压范围

       有的芯片，直接在手册上标定了输出电压范围。例如，某固定输出9.6V的电源芯片，在手册上标定输出电压范围为9.55～9.65V。当然，这样的描述，一般都会带上一些条件，如 “不带负载” “负载电流为××～××安培” 等。所以，在阅读手册时，关注数定义的条件，是一个良好的习惯。

       有的芯片，输出电压可调，如TPS54620。

       对于输出电压可调的芯片，有的芯片手册上会直接给出一个输出电压的范围。例如，TPS40422手册上直接给出输出电压范围为0.6～5.6V。但是，也有的芯片手册上没有直持提供输出电压范围，就需要工程师基于手册上提供的其他参数，推算输出电压范围。列如，TPS54620，由于它是一颗降压电源芯片，输出电压不能低于片内参考电压VREF，而手册定义VREF最大值为0.8V，所以0.8V是该芯片可能输出的最低电压：至于最高输出压，由于它是降压电源芯片，所以最高输出电压肯定不能超过输入由压，但是否可以等于输入电压，或者应比输入电压低多少，则应参考手册上的最大占空比参数。这个参数的含义是，在一个开关周期中，MOSFET导通时间在整个周期中所可能达到的最大比值。TPS54620手册提到，占空比可以达到最大值100%,所以理论上，该电源的输出电压可以接近输入电压。再举一个例子，某电源芯片手册定义，最大占空比为90%（见下图），因此，在理想的条件下，该芯片最高输出电压也只能达到输入电压的90%。有时芯片会采用其他参数来表达最大占空比这个要求，如最短截止时间等，就需要结合开关频率来推算最高输出电压。

某电源手册定义的最大占空比(截图)

 

       3.电源最大输出电流

       本案例中，TPS54620的最大输出电流为6A。

应正确理解电源芯片最大输出电流有如下含义：

       ①   对于片内未集成MOSFET的电源芯片，由于这类芯片只作为电源控制器工作，因此芯片手册上的最大输出电流是根据片内过流保护点定义的。

 

       ②   对于MOSFET集成在片内的电源芯片，芯片手册上定义的最大输出电流，综合考虑了片内过流保护点、片内MOSFET所能承受的最大电流、片内MOSFET流过电流后产生的温升对芯片的影响等因素。TPS54620片内集成了上管、下管两个MOSFET,就属于这种情况。

 

       ③   对于以上两种情况，都需特别注意一点，即运行环境对工作电流有很大影响。手册上的最大输出电流参数，往往是基于最理想条件定义的，如要求芯片周围环境温度为25℃。有的芯片甚至对流过芯片上方的风流量也有要求。因此，根据板上实际温度和空气流量条件，电源芯片往往不能达到手册标定的最大输出电流。实际工作允许的最大电流相对于标定最大值应留出足够的裕量，裕量的要求由热仿真或热测试确定。

 

 

       以上内容来自行业内高级电路设计专家“ 王老师 ”最新著作“ 高速电路设计进阶 ”书中其一案例分享！