常用電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器故障排除的一般規(guī)則

本文針對無法始終按計劃工作的主要電子系統(tǒng)進(jìn)行故障排除：開關(guān)模式、低壓、DC-DC、單相、非隔離、基本降壓轉(zhuǎn)換器電路。

轉(zhuǎn)換器故障排除的一般規(guī)則

排除故障時，重要的是要考慮哪些變量在起作用并減少可能的故障原因的數(shù)量。

以下是一些可以幫助您的指南：

您需要可靠地使系統(tǒng)無法排除故障。一個問題自己消失了，它自己又回來了。

一次只改變一件事并注意效果。

如果電路停止工作，詢問“發(fā)生了什么變化?”是否有與失敗同時發(fā)生的事件?

查看故障是否隨轉(zhuǎn)換板、芯片或負(fù)載一起移動。

考慮到這些概念，以下是您在設(shè)計 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器時可能會遇到的九個常見問題以及一些可能的原因。

測量輸出電壓的 10× 探頭。圖片來源：埃里克·博加廷

問題#1：紋波太多

如果您看到太多紋波，則電感可能太低 - 較高的值會產(chǎn)生較低的紋波，但瞬態(tài)響應(yīng)較慢。

另外，請記住，大電感紋波電流意味著更高的峰值電流和更大的電感飽和可能性，尤其是在高溫下，并且對 FET 造成更大的壓力。

其他問題可能是C out太低(沒有足夠的存儲來支持輸出)或C out ESR(等效串聯(lián)電阻)太高(導(dǎo)致C out中的 IR 壓降)。

最后，低開關(guān)頻率會導(dǎo)致更多紋波。

使用 10× 探頭測量噪聲。Eric Bogatin 的“如何測量開關(guān)模式電源 (SMPS) 中的噪聲”的屏幕截圖

問題#2：無法啟動

首先，問自己這個問題：“啟用”引腳是否正確驅(qū)動(或上拉)?電源良好輸出也是如此。

啟動失敗可能是因為您發(fā)現(xiàn)負(fù)載電容過大(例如 FPGA)，就像短路一樣，觸發(fā)了電流限制。有些芯片具有消隱和軟啟動功能來解決這個問題。

將電流限制點(diǎn)設(shè)置得盡可能高以避免誤報，并與 FPGA 工程師協(xié)商在系統(tǒng)級別優(yōu)化電容。

最后，確保V輸入不會下降，并且 UV 鎖定不會由于輸入下降而激活。

問題#3：關(guān)閉時輸出端存在電壓

如果您的電路確實關(guān)閉，但您在輸出上看到電壓，則該電壓通常來自另一個電源電路。檢查是否存在通往其他活動導(dǎo)軌的不明顯路徑。

問題#4：監(jiān)管不力

通過遠(yuǎn)程V輸出檢測，電源路徑歐姆壓降可能會導(dǎo)致調(diào)節(jié)不良，這可能是由于分配到電路板上過多負(fù)載的電源軌(單個電源轉(zhuǎn)換器輸出線)造成的。這就是為什么有時避免使用多軌轉(zhuǎn)換器 IC (“PMIC”)，而是在負(fù)載旁邊使用多個轉(zhuǎn)換器。

如果您的電壓檢測引腳有噪音，請保持該引腳的布局整潔，并確保與檢測信號相關(guān)的任何電阻器放置在控制器附近。

另一種解釋是您的參考電壓在濾波不足時可能不穩(wěn)定。

問題#5：瞬態(tài)響應(yīng)緩慢

這里的罪魁禍?zhǔn)资强赡苡刑蟮拇笕萘枯敵鲭娙莼蛱蟮碾姼衅鳌?

另一個問題可能是環(huán)路補(bǔ)償不良。如果沒有合適的設(shè)備，則很難完全表征環(huán)路特性。但即使您沒有網(wǎng)絡(luò)分析儀，您也可以使用階躍負(fù)載并觀察瞬態(tài)振鈴，它會以低廉的成本告訴您很多信息。

此外，在開發(fā)過程中，如果設(shè)計負(fù)載發(fā)生變化，補(bǔ)償通常也必須改變。例如，您是否以設(shè)計負(fù)載的一半使用工廠評估模塊?你看到問題所在了。

問題#6：不穩(wěn)定

C out ESR 可能是不穩(wěn)定的一個原因，因為它在環(huán)路響應(yīng)中引入了零，這使得增益曲線停止下降并開始橫向移動，從而侵蝕或消除了增益裕度。如果零頻率足夠低，則在相位達(dá)到 180° 之前增益不會過零。

較便宜的轉(zhuǎn)換器芯片可能會進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償以節(jié)省外部部件，但請確保您的C輸出滿足最小和最大C輸出ESR 范圍，在該范圍內(nèi)它們將保持穩(wěn)定。

不穩(wěn)定的其他解釋可能包括電壓感應(yīng)不良或求和節(jié)點(diǎn)布局或噪聲。

確保使用設(shè)計軟件生成波特圖并檢查相位和增益裕度，包括溫度范圍。

問題#7：效率低下

自舉電容器需要足夠大，以便為高側(cè) FET 柵極提供電荷，否則，該 FET 可能無法完全導(dǎo)通，然后會消耗功率。與升壓引腳串聯(lián)的電阻器可用于調(diào)節(jié)開啟以控制振鈴。

測量電源電路效率(尤其是 90% 以上)并非易事，因為它需要電流測量，并且是兩個功率量的比率。希望您已經(jīng)通過電子表格工具描述了每個組件對損耗的貢獻(xiàn)，該工具通常會告訴您 MOSFET 和電感器電阻(“DCR”或直流電阻)是造成熱量浪費(fèi)的主要因素。

顯示降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的效率與頻率的關(guān)系圖。該圖取自 Linear Tech/Analog Devices的 LT8610 數(shù)據(jù)表。

問題#8：低溫問題

請記住，低溫下電解電容的 ESR 會上升，電容也會下降。

問題 #9：PMBus 問題

在共享數(shù)據(jù)通信總線上，確保當(dāng)您不注意時另一個節(jié)點(diǎn)不會間歇性地喋喋不休。

另外，請確保您使用的上拉電阻足夠強(qiáng)：47kΩ 上拉電阻(如在 FPGA 中)遠(yuǎn)不如 10kΩ。

結(jié)論

如果您完全不知道該怎么做，請獲取更多數(shù)據(jù)，這將為您提供分析、創(chuàng)造想法和促進(jìn)團(tuán)隊討論的東西。