Ich habe ein eingesetztes Design, bei dem es zu einer hohen Ausfallrate (~ 4%) im 12-V- / 5-V-Tiefsetzstellerteil der Leiterplatte kommt. Die Aufgabe des Abwärtswandlers in der Schaltung besteht darin, den 12-V-Eingang (von einer angeschlossenen Blei-Säure-Batterie) auf 5 V herabzusetzen, der dann zum Aufladen der Batterie in eine USB-A-Buchse eingespeist wird.

Alle zurückgesendeten Einheiten haben den gleichen charakteristischen Hochsetzsteller-IC.

Der IC ist ein TPS562200DDCT von Texas Instruments (seriöser Hersteller, wie ich höre)

Hier ist das Datenblatt.

Hier ist ein Bild einer ausgefallenen Einheit:

Hier ist das Schema:

Hier ist ein Blick auf die PCB-Designdatei für diesen Abschnitt der Platine:

Bei der Analyse des Ausfalls der Buck - Wandler - IC, ich denke , dass Sie die Batterie - Abschaltschaltung ignorieren. Dieser Teil der Schaltung verwendet einfach eine Referenzspannung und einen Low-Side-Pass-FET, um den Minuspol der Batterie vom Rest der Schaltung abzuschneiden, wenn die Batteriespannung unter 11 V abfällt.

Ein externer Kurzschluss an einem an die USB-Buchse angeschlossenen Gerät ist meines Erachtens kein Fehler, da der TPS562200DDCT über einen integrierten Überstromschutz verfügt:

7.3.4 Stromschutz Die Ausgangsüberstrombegrenzung (OCL) wird mithilfe einer zyklischen Talerkennungssteuerschaltung implementiert. Der Schalterstrom wird während des AUS-Zustands überwacht, indem die Spannung zwischen Drain und Source des Low-Side-FET gemessen wird. Diese Spannung ist proportional zum Schaltstrom. Zur Verbesserung der Genauigkeit ist die Spannungsmessung temperaturkompensiert. Während der Einschaltdauer des High-Side-FET-Schalters steigt der Schalterstrom mit einer linearen Rate an, die durch VIN, VOUT, die Einschaltdauer und den Wert der Ausgangsinduktivität bestimmt wird. Während der Einschaltzeit des Low-Side-FET-Schalters nimmt dieser Strom linear ab. Der Durchschnittswert des Schaltstroms ist der Laststrom IOUT. Wenn der überwachte Strom über dem OCL-Pegel liegt, hält der Wandler den Low-Side-FET eingeschaltet und verzögert die Erzeugung eines neuen eingestellten Impulses, selbst wenn die Spannungsrückkopplungsschleife einen benötigt. bis der aktuelle Pegel OCL-Pegel oder niedriger wird. In nachfolgenden Schaltzyklen wird die Einschaltdauer auf einen festen Wert gesetzt und der Strom in gleicher Weise überwacht. Wenn die Überstrombedingung aufeinanderfolgende Schaltzyklen aufweist, wird die interne OCL-Schwelle auf einen niedrigeren Pegel gesetzt, wodurch der verfügbare Ausgangsstrom verringert wird. Wenn ein Schaltzyklus auftritt, bei dem der Schaltstrom nicht über der unteren OCL-Schwelle liegt, wird der Zähler zurückgesetzt und die OCL-Schwelle auf den höheren Wert zurückgesetzt. Für diese Art des Überstromschutzes gibt es einige wichtige Überlegungen. Der Laststrom ist um die Hälfte des Ripple-Stroms der Spitze-Spitze-Induktivität höher als der Überstromschwellenwert. Auch wenn der Strom begrenzt wird, Die Ausgangsspannung neigt dazu, zu sinken, da der angeforderte Laststrom höher sein kann als der vom Umrichter verfügbare Strom. Dies kann zu einem Abfall der Ausgangsspannung führen. Wenn die VFB-Spannung unter die UVP-Schwellenspannung fällt, erkennt der UVP-Komparator dies. Dann fährt das Gerät nach der UVP-Verzögerungszeit (typisch 14 μs) herunter und startet nach der Schluckaufzeit (typisch 12 ms) neu.

Hat jemand eine Ahnung, wie das hätte passieren können?

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Hier ist ein Link zu einem Referenzdesign, mit dem ich mithilfe von TI WEBENCH Designer Komponentenwerte und Betriebspunkte für den Buck-Konverter ermittelt habe:
https://webench.ti.com/appinfo/webench/scripts/SDP.cgi?ID = F18605EF5763ECE7

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Ich habe hier im Labor einige zerstörerische Tests durchgeführt und kann bestätigen, dass ich einen sehr ähnlich aussehenden Stapel geschmolzenen Plastiks erhalte, wo sich der Buck-Konverter befand, wenn ich die Batterie mit umgekehrter Polarität einstecke. Da unsere Wahl des Batterieanschlusses eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit für versehentliche Verpolungs-Plug-Ins bietet (z. B. 4% Wahrscheinlichkeit -> Augenzwinkern), ist dies wahrscheinlich für die Mehrzahl der beobachteten Fehler verantwortlich.

Ich vermute, Überspannung auf dem Chip, mit einer zweiten Möglichkeit Induktorsättigung, wie @oldfart in einem Kommentar vorgeschlagen.

Ihr Versorgungs-Bypass ist ein Elektrolytkondensator, der ein wenig vom Chip entfernt ist und ein kleiner Elektrolyt ist, sodass er einen relativ hohen ESR hat (und leider einen ESR, der mit zunehmendem Alter des Kondensators zunimmt).

Der Eingangsrippelstrom kann in Kombination mit der Streuinduktivität der Verdrahtung zu einer Überspannung am Chipeingang führen. Ich empfehle, es mit einer Versorgung mit langen Drähten zu testen und an den Grenzen des Versorgungsbereichs zu testen. Legen Sie ein Oszilloskop auf die Stromschienen und sehen Sie, wie groß die Spikes sind. Ein keramischer Kondensator mit 22 µF und einer parallelen elektrolytischen Temperatur (z. B. 1000 µF / 25 V, 105 ° C) ist viel besser, wenn Sie Platz haben. Stellen Sie sicher, dass die Keramik "22 µF" bei maximaler Betriebsspannung über 10 µF liegt. Es sollte so nah wie möglich am Chip sein. Und natürlich ist es am besten, die im Datenblatt vorgeschlagenen Layout-Praktiken so genau wie möglich zu befolgen.

Die Induktorsättigung ist ein anderes Problem - sie tritt normalerweise bei einer minimalen Versorgungsspannung auf, bei der der Eingangsstrom maximal ist. Sie können dies testen, indem Sie Ihre Unterspannungssperre umgehen und den Eingang weit unter das normalerweise erwartete Minimum reduzieren. Symptome wären übermäßige Verlustleistung im Chip.

Problem: billiger Kondensator mit hohem ESR und Ignorieren von Design-Anwendungshinweisen.

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Beachten Sie die Anforderungen für Kondensatoren mit niedrigem ESR, wenn Autoanwendungen ignoriert werden, wenn dies nicht zutrifft.

Für dieses Design werden zwei TDK C3216X5R0J226M 22 μF-Ausgangskondensatoren verwendet. Der typische ESR beträgt jeweils 2 mΩ. Der berechnete Effektivstrom beträgt 0,286 A und jeder Ausgangskondensator ist für 4 A ausgelegt.

Es ist zu beachten, dass 22 μF * 2 mΩ = τ = 0,044 μs eine hervorragende Keramikleistung ist, wobei Elektrolytkondensatoren mit niedrigem ESR <1 μs und Elektrolytkondensatoren für allgemeine Zwecke >> 100 μs sind. Ab f >> 50 kHz ist dies regelungskritisch und wird mit drei der vorgeschlagenen Teile parallel verbessert.

Es ist unmöglich , diesen niedrigen ESR * C = τ in einem Aluminium-Elektrolytkondensator zu erreichen, selbst bei extrem niedrigen ESR-Typen. Aus diesem Grund wird bei diesem Design Keramik verwendet.

Wenn der ESR zu hoch ist und reaktive Sprunglasten angelegt werden, besteht eine größere Wahrscheinlichkeit für Instabilität, höhere Welligkeitsspannung und Überschwingen.

Wenn Sie kein Fahrzeugdesign oder keine Testspezifikationen oder keinen DVT-Testplan mit Stresstests haben, wurde dieses Design nicht ordnungsgemäß abgeschlossen.

Das Datenblatt empfiehlt, dass C4 ein Keramikkondensator mit niedrigem ESR ist (20 µF bis 68 µF). Sie scheinen einen 22 µF Elektrolyt zu haben. Alle Datenblattbeispiele zeigen zwei 10 µF parallel. Der tatsächliche Wert hängt wahrscheinlich von der Frequenz ab. Ich habe keine Ahnung, ob dies ein Problem sein kann oder nicht. Aber...

Ich habe MC34063 ausfallen lassen, weil der Eingangskondensator unangemessen niedrig war oder einen hohen ESR hatte. Der Fehler trat normalerweise beim Ausschalten auf, was hier jedoch möglicherweise nicht relevant ist.

Durch zerstörerische Tests hier im Labor scheint es, dass die wahrscheinlichste Ursache für diesen geschmolzenen Stapel von Innereien des Abwärtswandlers das Anlegen einer umgekehrten Polarität an den Abwärtswandler war.

Vielen Dank für Ihre Erkenntnisse, ich werde sie auf jeden Fall verwenden, um die nächste Iteration dieses Entwurfs zu verbessern.

Wenn Sie beabsichtigen, das Design erneut zu besuchen, können Sie bei Auswahl eines Teils mit einer strengeren Aktivierungsschwelle den gesamten Niederspannungs-Abschaltkreis durch einen einfachen Spannungsteiler am EN-Pin ersetzen. Diese Kostenersparnis würde sich für das neue Gerät auszahlen und möglicherweise ein gewisses Budget für einige Schutzkomponenten ergeben. Der TPS562200 kann eine Strombegrenzung von bis zu 5,3 A aufweisen. Der Induktor ist dann wahrscheinlich stark gesättigt.

Ich würde vorschlagen, dass das sehr kleine Teil viel zu heiß wird, wenn eine Last darauf abgelegt wird und einfach abbrennt. Das Platinenlayout zeigt auch nicht viel in Bezug auf die Verwendung von Kupfer als Platinen-Kühlkörper für das Teil.

Möglicherweise müssen Sie entweder einen Wärmeverteiler entwickeln, eine Packung mit integriertem Wärmeleitpad verwenden und / oder ein anderes Teil in einer viel stärkeren Packung finden.