TPS54339故障案例分析
TPS54339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(dāng)備用電源電壓高于BUCK預(yù)設(shè)輸出電壓時(shí)，存在的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，以及規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(dāng)檢測到TPS54339輸入電壓低于10V時(shí)，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(shí)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(cè)得知，在下降沿，只有EN電壓低于0.6V才會(huì)關(guān)閉，UVLO低于3.45V，芯片才會(huì)停止工作。在打開備用電源時(shí)，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(dá)BUCK母線上的電壓可能高達(dá)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(huì)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(duì)地短路。
圖2：TPS54339 block diagram
根因分析
假設(shè)VIN能建立一個(gè)穩(wěn)定的電壓，那么整個(gè)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(huì)持續(xù)開通，直到觸發(fā)芯片的NOC(負(fù)向電流)保護(hù)。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(huì)是很小的一個(gè)值，所以VIN端會(huì)存在高壓的風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以 HYPERLINK "https://www.ti.com/tool/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(shí)，額定空載輸出電壓為5.25V。
輸入輸出端空載實(shí)驗(yàn)
將輸出電壓調(diào)整5.26V-5.32V，可以看到，輸入端的電壓高達(dá)33V，已經(jīng)超過了TPS54339 VIN引腳最大耐壓25V，可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。
表1：BUCK輸入輸出端空載測試結(jié)果
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輸入端電壓（V） |
Backup電壓（V） |
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6.967 |
5.26 |
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10.07 |
5.27 |
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12.73 |
5.28 |
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16.27 |
5.29 |
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22.79 |
5.3 |
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31.78 |
5.31 |
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33.5 |
5.32 |
圖3：V_backup電壓為5.32V時(shí)，TPS54339不同引腳波形
輸入端空載實(shí)驗(yàn)，輸出0-3A帶載實(shí)驗(yàn)
測試結(jié)果同輸入輸出端空載一致。實(shí)際做實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要注意線損電壓，因?yàn)?.01V的壓降，都會(huì)對(duì)輸入端的電壓值影響很大。
輸入端30mA帶載實(shí)驗(yàn)，輸出空載實(shí)驗(yàn)
考慮到在實(shí)際系統(tǒng)中，TPS54339的輸入端可能同樣會(huì)有負(fù)載。這里以TPS54339輸入端有30mA負(fù)載為例。測試結(jié)果如下：
表2：BUCK輸入端30mA負(fù)載，輸出端空載測試結(jié)果
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輸入端電壓（V） |
輸入端負(fù)載電流(mA) |
Backup電壓（V） |
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6.53 |
30 |
5.26 |
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7.72 |
30 |
5.27 |
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11.26 |
30 |
5.28 |
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13.72 |
30 |
5.29 |
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17.12 |
30 |
5.3 |
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21.63 |
30 |
5.31 |
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27.82 |
30 |
5.32 |
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32.45 |
30 |
5.33 |
結(jié)論
D_CAP控制模式的FCCM器件，當(dāng)用于需要備用電源的系統(tǒng)時(shí)，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(huì)出現(xiàn)輸入側(cè)出現(xiàn)高壓的場景。
對(duì)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(shí)，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(gè)二極管，這樣防止電流倒灌。
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