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        TPS54339故障案例分析

        [ 熱門新聞 ] 故障案例 2024-06-03 17:07:27
        摘要

        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,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。

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        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(dāng)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;

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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(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(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。

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        圖2:TPS54339 block diagram

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        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(fù)向電流)保護(hù)。所以?

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        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。

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        實驗結(jié)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(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

        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(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。

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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(tǒng)中,TPS54339的輸入端可能同樣會有負(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

        輸入端電壓(V)

        輸入端負(fù)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(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,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。

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        參考文獻(xiàn)?

        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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