電源管理: TPS54339故障案例分析
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背景介紹
客戶使用FCCM模式的TPS54339DDAR器件，用于12V轉5V，同時有備用電源的需求，備用電源經由開關電路S1連接到BUCK的輸出母線上。當檢測到TPS54339輸入電壓低于10V時，開關電路S1閉合，系統由備用電池供電。
圖1： 系統框架圖
備注：
BUCK 設置的輸出電壓稱為V_target
BUCK端實際的輸出電壓稱為V_out;
備份電池電壓稱之為V_backup;
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故障描述
由TPS54339手冊得知，在下降沿，只有EN電壓低于0.6V才會關閉，UVLO低于3.45V，芯片才會停止工作。在打開備用電源時，芯片的EN和UVLO都處于使能狀態，所以芯片處于正常工作狀態。且備用電池額定電壓5.4V, 電池電壓最高可以充到5.6V，經過開關電路S1之后，到達BUCK母線上的電壓可能高達5.3V。這樣就導致V_out > V_target且TPS54339處于使能狀態。在D-CAP的FCCM模式下，這樣會導致輸入側電壓升高，從而導致芯片輸入側過壓擊穿短路。故障表現為TPS54339的1/2/3/6引腳對地短路。
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圖2：TPS54339 block diagram
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根因分析
假設VIN能建立一個穩定的電壓，那么整個BUCK變換器處于穩定工作，則必須滿足伏秒平衡以及電感電流平衡。
由于V_out > V_target，BUCK的下管會持續開通，直到觸發芯片的NOC(負向電流)保護。所以?
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由于穩定工作，所以結合上式可以得出以下等式：
由法拉第電磁感應定律可知，工作狀態下，
將會是很小的一個值，所以VIN端會存在高壓的風險。
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實驗結果
以TPS54339EVM-056為測試板，僅將R1電阻由8.25KΩ修改為120KΩ。給輸出端加一定電壓，測試輸入端電壓。12V輸入時，額定空載輸出電壓為5.25V。
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輸入輸出端空載實驗
將輸出電壓調整5.26V-5.32V，可以看到，輸入端的電壓高達33V，已經超過了TPS54339 VIN引腳最大耐壓25V，可能會對器件造成永久性損壞。
表1：BUCK輸入輸出端空載測試結果
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輸入端電壓（V） |
Backup電壓（V） |
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6.967 |
5.26 |
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10.07 |
5.27 |
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12.73 |
5.28 |
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16.27 |
5.29 |
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22.79 |
5.3 |
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31.78 |
5.31 |
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33.5 |
5.32 |
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圖3：V_backup電壓為5.32V時，TPS54339不同引腳波形
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輸入端空載實驗，輸出0-3A帶載實驗
測試結果同輸入輸出端空載一致。實際做實驗時，需要注意線損電壓，因為0.01V的壓降，都會對輸入端的電壓值影響很大。
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輸入端30mA帶載實驗，輸出空載實驗
考慮到在實際系統中，TPS54339的輸入端可能同樣會有負載。這里以TPS54339輸入端有30mA負載為例。測試結果如下：
表2：BUCK輸入端30mA負載，輸出端空載測試結果
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輸入端電壓（V） |
輸入端負載電流(mA) |
Backup電壓（V） |
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6.53 |
30 |
5.26 |
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7.72 |
30 |
5.27 |
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11.26 |
30 |
5.28 |
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13.72 |
30 |
5.29 |
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17.12 |
30 |
5.3 |
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21.63 |
30 |
5.31 |
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27.82 |
30 |
5.32 |
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32.45 |
30 |
5.33 |
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結論
D_CAP控制模式的FCCM器件，當用于需要備用電源的系統時，應注意備用電源的電壓不能比BUCK預設的電壓高，否則可能會出現輸入側出現高壓的場景。
對于備用電源電壓高于BUCK預設電壓的系統，建議選擇輕載調頻模式的器件，比如TPS54339EDDAR或者控制EN腳，使輸入掉電時，快速關斷EN，從而讓芯片停止工作。如果不是很關注系統效率也可以在BUCK輸出后再串聯一個二極管，這樣防止電流倒灌。
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參考文獻?
Texas Instruments,?Analysis and Risk Assessment of Adaptive On-time Control Device in Bias Standby Operation, application note.
Texas Instruments,?4.5 V to 23 V Input, 3-A Synchronous Step-Down SWIFT
?Converter, data sheet.
Texas Instruments,?TPS54339 Step-Down Converter Evaluation Module User's Guide, EVM user’s guide.