地彈導致電源芯片工作不正常

很多讀者都應該聽過地彈，但是實際遇到的地彈的問題應該很少。本案例就是一個地彈現(xiàn)象導致電源芯片工作不正常的案例。

問題描述

如下圖1 ，產品其中一個供電是12V轉3.3V的電路，產品發(fā)貨50K左右以后，大約有1%的產品無法啟動，經過解耦定位，問題出在下圖中的電源芯片。

原因分析

經過分析，問題最終定位在與PCB的布局和布線有關，其中涉及一個重要容易忽略的技術：地彈。如下圖，左圖是芯片內部的原理框圖，右圖是實際PCB中的布局圖，在高頻開關電源中，提供能量來源的有兩個器件：輸入電容Cvin和電感Lbuck；（1）當高端開關閉合，低端開關斷開時，電流的路徑如紅色箭頭所示；（2）當高端開關斷開，低端開關閉合時，電流的路徑如藍色的箭頭所示。

根據電磁感應定理：e=-dФ/dt=-d(Li)/dt=-Ldi/dt，由于紅色和藍色的環(huán)路面積變化較大，最終的體現(xiàn)會在低端開關和Cvin之間產生感應電動勢。

廠商內部手冊中顯示，電源芯片滿足以下兩個的條件，就可以進入測試模式，測試模式下，電源芯片不工作，電源無輸出。（1）pin5 引腳FB 電壓大于3V；（2）pin6引腳COMP電壓小于-0.5V；我們實際設計的PCB示意圖如下圖所示，環(huán)路1由Cvin、高端開關、L、Cbuck、負載組成，環(huán)路2由Cbuck、負載組成，環(huán)路3由低端開關、L、負載組成。其中環(huán)路面積變化A最大，同時電流突變最最迅速，實測引腳6 COMP 最高可達到-0.6V。如果FB引腳耦合的干擾達到3V，是可以將芯片進入到測試模式的，導致無法輸出。

解決方案

問題的原因主要時兩種開關狀態(tài)時的環(huán)路面積不一樣，導致感應電動勢變化太大，導致芯片內部的邏輯混亂。重新布局后的措施如下：（1）將輸入電容、高低端開關盡量在同一水平線；（2）將輸出電容和負載盡量靠近用電端，消滅上圖中的環(huán)路2導致的變化。同時可以應付用電設備的突發(fā)電流，突發(fā)電流大部分由輸出電容供電，而不是通過電源芯片轉換而來。（3）重新布局后的環(huán)路面積變化=變化的長度 X 板厚度。板厚為2mm，此時的面積變化基本可以忽略不計。

總結

對于DCDC電源芯片，廠商不會對外公布其內部的具體邏輯電路，但是有一點可以肯定，高低開關兩種不同的狀態(tài)導致的環(huán)路面積變化，如果沒有處理好，產生的地彈會影響內部邏輯，使得進入不確定的工作狀態(tài)。

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審核編輯黃宇