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        電源管理: TPS54339故障案例分析

        [ 熱門新聞 ] 電源管理 2024-02-02 15:29:13
        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, 廣泛應用于低壓系統中。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預設輸出電壓時,存在的風險,實驗測試結果,以及規避該風險的方法。

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        背景介紹

        客戶使用FCCM模式的TPS54339DDAR器件,用于12V轉5V,同時有備用電源的需求,備用電源經由開關電路S1連接到BUCK的輸出母線上。當檢測到TPS54339輸入電壓低于10V時,開關電路S1閉合,系統由備用電池供電。

        圖1: 系統框架圖

        備注:

        BUCK 設置的輸出電壓稱為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;

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        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,所以芯片處于正常工作狀態。且備用電池額定電壓5.4V, 電池電壓最高可以充到5.6V,經過開關電路S1之后,到達BUCK母線上的電壓可能高達5.3V。這樣就導致V_out > V_target且TPS54339處于使能狀態。在D-CAP的FCCM模式下,這樣會導致輸入側電壓升高,從而導致芯片輸入側過壓擊穿短路。故障表現為TPS54339的1/2/3/6引腳對地短路。

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        圖2:TPS54339 block diagram

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        根因分析

        假設VIN能建立一個穩定的電壓,那么整個BUCK變換器處于穩定工作,則必須滿足伏秒平衡以及電感電流平衡。

        由于V_out > V_target,BUCK的下管會持續開通,直到觸發芯片的NOC(負向電流)保護。所以?

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        由于穩定工作,所以結合上式可以得出以下等式:

        由法拉第電磁感應定律可知,工作狀態下,將會是很小的一個值,所以VIN端會存在高壓的風險。

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        實驗結果

        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。

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        輸入輸出端空載實驗

        將輸出電壓調整5.26V-5.32V,可以看到,輸入端的電壓高達33V,已經超過了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果

        輸入端電壓(V)

        Backup電壓(V)

        6.967

        5.26

        10.07

        5.27

        12.73

        5.28

        16.27

        5.29

        22.79

        5.3

        31.78

        5.31

        33.5

        5.32

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        圖3:V_backup電壓為5.32V時,TPS54339不同引腳波形

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        輸入端空載實驗,輸出0-3A帶載實驗

        測試結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。

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        輸入端30mA帶載實驗,輸出空載實驗

        考慮到在實際系統中,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。測試結果如下:

        表2:BUCK輸入端30mA負載,輸出端空載測試結果

        輸入端電壓(V)

        輸入端負載電流(mA)

        Backup電壓(V)

        6.53

        30

        5.26

        7.72

        30

        5.27

        11.26

        30

        5.28

        13.72

        30

        5.29

        17.12

        30

        5.3

        21.63

        30

        5.31

        27.82

        30

        5.32

        32.45

        30

        5.33

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        結論

        D_CAP控制模式的FCCM器件,當用于需要備用電源的系統時,應注意備用電源的電壓不能比BUCK預設的電壓高,否則可能會出現輸入側出現高壓的場景。

        對于備用電源電壓高于BUCK預設電壓的系統,建議選擇輕載調頻模式的器件,比如TPS54339EDDAR或者控制EN腳,使輸入掉電時,快速關斷EN,從而讓芯片停止工作。如果不是很關注系統效率也可以在BUCK輸出后再串聯一個二極管,這樣防止電流倒灌。

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        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 SWIFTTm?Converter, data sheet.

        Texas Instruments,?TPS54339 Step-Down Converter Evaluation Module User's Guide, EVM user’s guide.

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