地彈現(xiàn)象導(dǎo)致DCDC電源芯片工作不正常
1. 問題描述
如下圖1 ，產(chǎn)品其中一個(gè)供電是12V轉(zhuǎn)3.3V的電路，產(chǎn)品發(fā)貨50K左右以后，大約有1%的產(chǎn)品無法啟動(dòng)，經(jīng)過解耦定位，問題出在下圖中的電源芯片。
圖1 12V 轉(zhuǎn)3.3V電路
2. 原因分析
經(jīng)過最終的分析，問題最終定位在與PCB的布局和布線有關(guān)，其中涉及一個(gè)重要容易忽略的技術(shù)：地彈。如下圖，左圖是芯片內(nèi)部的原理框圖，右圖是實(shí)際PCB中的布局圖，在高頻開關(guān)電源中，提供能量來源的有兩個(gè)器件：輸入電容Cvin和電感Lbuck；
（1）當(dāng)高端開關(guān)閉合，低端開關(guān)斷開時(shí)，電流的路徑如紅色箭頭所示；
（2）當(dāng)高端開關(guān)斷開，低端開關(guān)閉合時(shí)，電流的路徑如藍(lán)色的箭頭所示。
圖2 芯片內(nèi)部的高低開關(guān)（左圖）、實(shí)際的工作示意圖（右圖）
根據(jù)電磁感應(yīng)定理：e=-dФ/dt=-d(Li)/dt=-Ldi/dt，由于紅色和藍(lán)色的環(huán)路面積變化較大，最終的體現(xiàn)會(huì)在低端開關(guān)和Cvin之間產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。廠商內(nèi)部手冊中顯示，電源芯片滿足以下兩個(gè)的條件，就可以進(jìn)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(shí)際設(shè)計(jì)的PCB示意圖如下圖所示，環(huán)路1由Cvin、高端開關(guān)、L、Cbuck、負(fù)載組成，環(huán)路2由Cbuck、負(fù)載組成，環(huán)路3由低端開關(guān)、L、負(fù)載組成。其中環(huán)路面積變化A最大，同時(shí)電流突變最最迅速，實(shí)測引腳6 COMP 最高可達(dá)到-0.6V。如果FB引腳耦合的干擾達(dá)到3V，是可以將芯片進(jìn)入到測試模式的，導(dǎo)致無法輸出。
3. 解決方案
問題的原因主要時(shí)兩種開關(guān)狀態(tài)時(shí)的環(huán)路面積不一樣，導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢變化太大，導(dǎo)致芯片內(nèi)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(guān)盡量在同一水平線；
（2）將輸出電容和負(fù)載盡量靠近用電端，消滅上圖中的環(huán)路2導(dǎo)致的變化。同時(shí)可以應(yīng)付用電設(shè)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(zhuǎn)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(shí)的面積變化基本可以忽略不計(jì)。
4. 總結(jié)
對于DCDC電源芯片，廠商不會(huì)對外公布其內(nèi)部的具體邏輯電路，但是有一點(diǎn)可以肯定，高低開關(guān)兩種不同的狀態(tài)導(dǎo)致的環(huán)路面積變化，如果沒有處理好，產(chǎn)生的地彈會(huì)影響內(nèi)部邏輯，使得進(jìn)入不確定的工作狀態(tài)。
