案例分享

高速電路設計進階

【案例2.38】電源輸入電壓范圍裕量太小導致的設備運行故障

某設備批量生產(chǎn)并銷售后，在某個客戶處多臺設備出現(xiàn)故障。調試發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生的共同原因是單板上的一顆電源芯片損壞。多臺損壞的單板中，有的表現(xiàn)為輸入電壓引腳和接地引腳短路，有的表現(xiàn)為輸入電壓引腳和開關節(jié)點引腳短路。

該電源芯片將電源電路MOSFET集成在片內，從故障現(xiàn)象初步推斷，該問題很可能和芯片在輸入端承受的沖擊有關。通過在客戶現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，客戶將設備（稱為A）的50V供電端子和另一臺大攻率設備（稱為B）的供電端子接在一起，在A工作過程中，若啟動B，由于B設備無緩啟動電路，則在B啟動過程中會產(chǎn)生大幅度的電流沖擊振蕩，進而在50V上產(chǎn)生電壓振蕩，振蕩峰值達到70V，而A設備電源芯片的輸入電壓最大極限只能達到60V。所以確定故障原因是，由于輸入電壓承受了超過極限值的尖峰，在多次沖擊后，芯片被電壓擊穿損壞。

【擴展】

在電源意片的選擇過程中，需關注芯片所允許的輸入電壓范圍。這個輸入范圍，有多重含義：

① 芯片所允許的極限輸入范圍，這個參數(shù)一般在“Absolute Maximum Ratings”（最大極限范圍）表格中定義，超出該范圍，芯片可能會受到損壞或因構成潛在片內損傷而影響長期可靠性，本案例就屬于這一類情況。

② 芯片推薦輸入范圍。這個參數(shù)一般在“Recommended Operating Conditions”（推薦工作范圍）表格中定義，超出該范圍，芯片的正常工作可能會受到影響。TPS54620的推薦輸入范圍為4.5～17V。

③ 芯片的輸入過壓、欠壓閾值。芯片工作過程中，一旦越過這些閾值，芯片就會進入保護模式。有的芯片的閾值是片內固定的，有的芯片的閾值可以在片外通過分壓電阻等進行設置，不同芯片保護模式的實現(xiàn)方式也不同，需具體問題具體分析。

在選型時，需對產(chǎn)品不同的應用環(huán)境進行具體分析，確定芯片輸入電壓是否距離以上范圍有足夠的裕量。有時，不同客戶運行環(huán)境差異很大，找到最惡劣的情況并把這種情況作為設計邊界，同時構建相應的測試用例，是設計和測試的重要關注點。

以通信設備為例，由于大多數(shù)通信機房工作環(huán)境比較穩(wěn)定，所以針對50V的輸入工作電壓，選擇輸入電壓極限為60V的電源芯片或電源模塊是完全可行的；但若工作環(huán)境改變，設計選型可能就需要隨之變化。筆者曾經(jīng)評審過的一款需組裝在高速列車上的通信設備，輸入電壓相對于極限值的裕量就需要高得多。同理，片上各參數(shù)值相對于閾值的裕量，也需要根據(jù)具體工作環(huán)境而確定。

2.電源輸出電壓范圍

有的芯片，直接在手冊上標定了輸出電壓范圍。例如，某固定輸出9.6V的電源芯片，在手冊上標定輸出電壓范圍為9.55～9.65V。當然，這樣的描述，一般都會帶上一些條件，如 “不帶負載”“負載電流為××～××安培” 等。所以，在閱讀手冊時，關注數(shù)定義的條件，是一個良好的習慣。

有的芯片，輸出電壓可調，如TPS54620。

對于輸出電壓可調的芯片，有的芯片手冊上會直接給出一個輸出電壓的范圍。例如，TPS40422手冊上直接給出輸出電壓范圍為0.6～5.6V。但是，也有的芯片手冊上沒有直持提供輸出電壓范圍，就需要工程師基于手冊上提供的其他參數(shù)，推算輸出電壓范圍。列如，TPS54620，由于它是一顆降壓電源芯片，輸出電壓不能低于片內參考電壓VREF，而手冊定義VREF最大值為0.8V，所以0.8V是該芯片可能輸出的最低電壓：至于最高輸出壓，由于它是降壓電源芯片，所以最高輸出電壓肯定不能超過輸入由壓，但是否可以等于輸入電壓，或者應比輸入電壓低多少，則應參考手冊上的最大占空比參數(shù)。這個參數(shù)的含義是，在一個開關周期中，MOSFET導通時間在整個周期中所可能達到的最大比值。TPS54620手冊提到，占空比可以達到最大值100%,所以理論上，該電源的輸出電壓可以接近輸入電壓。再舉一個例子，某電源芯片手冊定義，最大占空比為90%（見下圖），因此，在理想的條件下，該芯片最高輸出電壓也只能達到輸入電壓的90%。有時芯片會采用其他參數(shù)來表達最大占空比這個要求，如最短截止時間等，就需要結合開關頻率來推算最高輸出電壓。

某電源手冊定義的最大占空比(截圖)

3.電源最大輸出電流

本案例中，TPS54620的最大輸出電流為6A。

應正確理解電源芯片最大輸出電流有如下含義：

① 對于片內未集成MOSFET的電源芯片，由于這類芯片只作為電源控制器工作，因此芯片手冊上的最大輸出電流是根據(jù)片內過流保護點定義的。

② 對于MOSFET集成在片內的電源芯片，芯片手冊上定義的最大輸出電流，綜合考慮了片內過流保護點、片內MOSFET所能承受的最大電流、片內MOSFET流過電流后產(chǎn)生的溫升對芯片的影響等因素。TPS54620片內集成了上管、下管兩個MOSFET,就屬于這種情況。

③ 對于以上兩種情況，都需特別注意一點，即運行環(huán)境對工作電流有很大影響。手冊上的最大輸出電流參數(shù)，往往是基于最理想條件定義的，如要求芯片周圍環(huán)境溫度為25℃。有的芯片甚至對流過芯片上方的風流量也有要求。因此，根據(jù)板上實際溫度和空氣流量條件，電源芯片往往不能達到手冊標定的最大輸出電流。實際工作允許的最大電流相對于標定最大值應留出足夠的裕量，裕量的要求由熱仿真或熱測試確定。

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