如何排除DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的故障

本文解決了并不總是按計劃工作的主要電子系統(tǒng)的故障排除：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

進(jìn)行故障排除時，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)無法對其進(jìn)行故障排除。一個自行消失的問題會自行卷土重來。

一次只改變一件事并注意效果。

如果電路停止工作，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)換器時可能遇到的九個常見問題以及一些可能的原因。

問題 #1：紋波太多

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

此外，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——以及對 FET 的更大壓力。

其他問題可能是Cout太低（沒有足夠的存儲空間來支撐輸出）或CoutESR（等效串聯(lián)電阻）太高（導(dǎo)致Cout中的 IR 壓降）。

最后，低開關(guān)頻率會導(dǎo)致更多紋波。

使用 10 倍探頭測得的噪聲。Eric Bogatin 在“如何測量開關(guān)模式電源 (SMPS) 中的噪聲”中的截圖

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）？電源良好輸出也一樣。

啟動失敗可能是因為您看到過大的負(fù)載電容（如 FPGA）就像短路一樣并觸發(fā)了電流限制。一些芯片具有消隱和軟啟動功能來解決這個問題。

將電流限制點設(shè)置得盡可能高以避免誤報，并與 FPGA 工程師協(xié)商以優(yōu)化系統(tǒng)級別的電容。

最后，確保Vin沒有下垂，并且 UV 鎖定沒有因輸入壓降而激活。

問題 #3：關(guān)閉時輸出端存在電壓

如果您的電路確實關(guān)閉但您看到輸出端有電壓，則它通常來自另一個電源電路。檢查到其他活動軌道的非明顯路徑。

問題#4：監(jiān)管不當(dāng)

對于遠(yuǎn)程Vout感測，電源路徑歐姆壓降可能會導(dǎo)致調(diào)節(jié)不良，這可能是由于電源軌（單電源轉(zhuǎn)換器輸出線）分配給電路板上的太多負(fù)載。這就是為什么有時會避免使用多軌轉(zhuǎn)換器 IC（“PMIC”）以支持負(fù)載旁邊的多個轉(zhuǎn)換器。

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

另一種解釋是你的參考電壓可能在過濾不足時不穩(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嗟拇笕萘枯敵鲭娙莼蛱蟮?a target="_blank">電感器。

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，環(huán)路特性很難完全表征。但是，即使您沒有網(wǎng)絡(luò)分析儀，也可以使用階躍負(fù)載并觀察瞬態(tài)振鈴——它會告訴您很多便宜的事情。

此外，在開發(fā)過程中，如果設(shè)計負(fù)載發(fā)生變化，補(bǔ)償通常也必須發(fā)生變化。例如，您是否在其設(shè)計負(fù)載的一半時使用工廠評估模塊？你看到了問題。

問題#6：不穩(wěn)定

CoutESR 可能是不穩(wěn)定的原因，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，侵蝕或消除增益裕度。如果零頻率足夠低，則在相位達(dá)到 180° 之前增益不會超過零。

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)省外部零件，但請確保您的C輸出滿足它們穩(wěn)定的最小和最大C輸出ESR 范圍。

對不穩(wěn)定性的其他解釋可能包括不良電壓檢測或求和節(jié)點布局或噪聲。

請務(wù)必使用設(shè)計軟件生成波德圖并檢查相位和增益裕度，包括過溫情況。

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，然后會燒毀電源。與升壓引腳串聯(lián)的電阻可用于調(diào)整開啟以控制振鈴。

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）是浪費熱量的主要來源。

顯示降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的效率與頻率的關(guān)系圖。繪圖取自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 會升高，電容也會下降。

問題 #9：PMBus 問題

在共享數(shù)據(jù)通信總線上，確保在您不注意時另一個節(jié)點不會間歇性地抖動。

此外，請確保您使用的上拉電阻足夠強(qiáng)：47kΩ 上拉電阻（如 FPGA）不如 10kΩ 好。

結(jié)論

如果您完全不知道該怎么做，請獲取更多數(shù)據(jù)——這將為您提供一些分析依據(jù)、從中產(chǎn)生想法并促進(jìn)團(tuán)隊討論。

審核編輯：湯梓紅