У меня есть развернутая конструкция, в которой мы наблюдаем высокую (~ 4%) частоту отказов в понижающем понижающем преобразователе 12В на 5В на печатной плате. Роль понижающего преобразователя в цепи заключается в понижении напряжения на входе 12 В (от подключенной свинцово-кислотной батареи) до 5 В, которое затем подается на гнездо USB-A для зарядки аккумулятора.

Все возвращаемые блоки имеют одинаковую характеристику преобразователя с раздувом.

Микросхема представляет собой TPS562200DDCT от Texas Instruments (авторитетный производитель, насколько я слышал)

Вот таблица данных.

Вот картина неисправного устройства:

Вот схема:

Вот посмотрите на файл дизайна печатной платы для этого раздела платы:

Анализируя неисправность интегральной схемы понижающего преобразователя, я думаю, что вы можете игнорировать цепь отключения низкого заряда батареи. Та часть схемы просто использует опорное напряжение и на сторону низкого проход FET , чтобы отрезать отрицательную клемму аккумулятора от остальной части схемы , когда напряжение аккумулятора падает ниже 11 В.

Мне кажется, что внешнее короткое замыкание на устройстве, подключенном к USB-разъему, не было бы причиной, поскольку в TPS562200DDCT встроена защита от перегрузки по току:

7.3.4 Защита по току Предел выходного тока перегрузки по току (OCL) реализован с использованием схемы управления циклическим определением долины. Ток переключения контролируется во время состояния ВЫКЛ путем измерения стока FET на стороне низкого напряжения и напряжения источника. Это напряжение пропорционально току переключателя. Для повышения точности измерения напряжения с температурной компенсацией. В течение времени включения переключателя полевого транзистора на стороне высокого тока ток переключателя увеличивается с линейной скоростью, определяемой VIN, VOUT, временем включения и значением выходного индуктора. Во время включения переключателя FET на нижней стороне этот ток уменьшается линейно. Среднее значение тока переключения - это ток нагрузки IOUT. Если контролируемый ток выше уровня OCL, преобразователь поддерживает FET на нижней стороне и задерживает создание нового установленного импульса, даже если петля обратной связи по напряжению требует этого, пока текущий уровень не станет уровнем OCL или ниже. В последующих циклах переключения время включения устанавливается на фиксированное значение, а ток контролируется таким же образом. Если условие перегрузки по току существует в последовательных циклах переключения, внутренний порог OCL устанавливается на более низкий уровень, что уменьшает доступный выходной ток. Когда происходит цикл переключения, когда ток переключения не превышает нижнего порога OCL, счетчик сбрасывается, и порог OCL возвращается к более высокому значению. Есть несколько важных соображений относительно этого типа защиты от перегрузки по току. Ток нагрузки выше порога перегрузки по току на половину пикового тока пульсации индуктора. Кроме того, когда ток ограничен, выходное напряжение имеет тенденцию падать, поскольку требуемый ток нагрузки может быть выше, чем ток, доступный от преобразователя. Это может привести к падению выходного напряжения. Когда напряжение VFB падает ниже порогового напряжения UVP, компаратор UVP обнаруживает его. Затем устройство выключается по истечении времени задержки UVP (обычно 14 мкс) и перезапускается после времени сбоя (обычно 12 мс).

Итак, кто-нибудь знает, как это могло произойти?

РЕДАКТИРОВАТЬ

Вот ссылка на эталонный дизайн, который я использовал для определения значений компонентов и рабочих точек для понижающего преобразователя с помощью TI WEBENCH Designer:
https://webench.ti.com/appinfo/webench/scripts/SDP.cgi?ID = F18605EF5763ECE7

РЕДАКТИРОВАТЬ

Я провел некоторые деструктивные испытания здесь, в лаборатории, и могу подтвердить, что получаю очень похожую кучу расплавленного пластика, где раньше был конвертер Бака, если я подключал батарею с обратной полярностью. Поскольку наш выбор разъема для батареи обеспечивает относительно высокую вероятность случайных подключений плагинов обратной полярности (скажем, 4% вероятности -> подмигивание), вполне вероятно, что это является причиной большинства сбоев, которые мы наблюдали.

Я подозреваю перенапряжение на микросхеме со второй возможностью насыщения индуктивности, как @oldfart предложил в комментарии.

Ваш обход питания - это электролитический конденсатор, немного далекий от микросхемы и небольшой электролитический, поэтому он имеет относительно высокое СОЭ (и, к сожалению, СОЭ, который будет увеличиваться по мере старения конденсатора).

Входной пульсационный ток в сочетании с паразитной индуктивностью от проводки может привести к перенапряжению на входе микросхемы. Я предлагаю протестировать его с источником питания с длинными проводами и проверить в пределах диапазона питания. Поместите осциллограф на шины питания и посмотрите, насколько велики шипы. Керамический конденсатор 22 мкФ с электролитической (например, 1000 мкФ / 25 В 105 ° C) параллельно, если у вас есть место, был бы намного лучше. Убедитесь, что керамика "22 мкФ" превышает 10 мкФ при максимальном рабочем напряжении. Это должно быть как можно ближе к чипу. И, конечно же, лучше всего следовать рекомендациям по компоновке в таблице данных как можно точнее.

Насыщение индуктивности - это другая проблема - это может происходить при минимальном напряжении питания, когда входной ток максимален. Вы можете проверить это, обойдя блокировку минимального напряжения и уменьшив входную мощность значительно ниже ожидаемого минимума. Симптомами будет чрезмерное рассеивание мощности в чипе.

Проблема: дешевый конденсатор с высокой ESR и игнорирование замечаний по проектированию.

редактировать

Не обращая внимания на применение в автомобиле, если оно не применяется, обратите внимание на требования к конденсаторам с низким ЭПР.

Для этой конструкции используются два выходных конденсатора TDK C3216X5R0J226M 22 мкФ. Типичная СОЭ составляет 2 мОм каждая. Расчетный среднеквадратичный ток составляет 0,286 А, а каждый выходной конденсатор рассчитан на 4 А.

Обратите внимание, что 22 мкФ * 2 мОм = τ = 0,044 мкс - это отличные керамические характеристики, где электролитические конденсаторы с низким ЭПР составляют <1 мкс, а электролитические конденсаторы общего назначения >> 100 мкс. Поскольку f >> 50 кГц, это имеет решающее значение для регулирования и улучшено с помощью трех из предложенных частей параллельно.

Невозможно достичь этого низкого ESR * C = τ в алюминиевом электролитическом конденсаторе, даже с типами ультранизкого ESR. Вот почему керамика используется в этом дизайне.

Если ESR слишком велик и применяются реактивные ступенчатые нагрузки, тогда больше шансов на нестабильность, более высокое пульсирующее напряжение и выбросы.

Если у вас нет автомобильного дизайна или технических условий испытаний или плана испытаний DVT со стресс-тестированием, этот проект не был выполнен должным образом.

В техническом описании рекомендуется использовать керамический конденсатор с низким ESR (от 20 мкФ до 68 мкФ). Кажется, у вас электролит 22 мкФ. Все примеры данных таблицы показывают две 10 мкФ параллельно. Фактическое значение, вероятно, зависит от частоты. Я понятия не имею, может ли это быть или не быть проблемой. Но...

У меня был сбой MC34063, потому что входной конденсатор был неоправданно низким или имел высокое ESR. Сбой обычно происходил при отключении питания, но здесь это может быть не актуально.

Благодаря деструктивным испытаниям здесь, в лаборатории, выяснилось, что наиболее вероятной причиной этой расплавленной груды внутренностей преобразователя доллара было применение обратной полярности к преобразователю доллара.

Спасибо всем за ваши идеи, я обязательно буду использовать их для улучшения следующей итерации этого проекта.

Если вы намереваетесь повторно посетить конструкцию, выбор детали с более жестко контролируемым порогом включения позволит заменить всю цепь отсечки низкого напряжения простым делителем потенциала на выводе EN. Эта экономия затрат окупит новое устройство и может дать некоторый бюджет для некоторых компонентов защиты. TPS562200 может ограничивать ток до 5,3А. К тому времени индуктор, вероятно, сильно насыщен.

Я бы предположил, что очень маленькая часть нагревается, когда на нее помещается нагрузка и она просто перегорает. Компоновка платы также не сильно отличается от использования меди в качестве радиатора уровня платы для детали.

Возможно, вам придется либо придумать распределитель тепла, использовать пакет со встроенной тепловой подушкой и / или найти другую деталь в более удобной упаковке.