Tengo un diseño implementado en el que estamos experimentando una alta tasa de falla (~ 4%) en la porción del convertidor reductor reductor de 12V a 5V de la PCB. La función del convertidor reductor en el circuito es reducir la entrada de 12 V (de una batería de plomo ácido conectada) a 5 V, que luego se alimenta a un receptáculo USB-A para cargar la batería.

Todas las unidades devueltas tienen el mismo IC convertidor de inversión explotado característico.

El IC es un TPS562200DDCT de Texas Instruments (fabricante reconocido, por lo que sé)

Aquí está la hoja de datos.

Aquí hay una foto de una unidad fallida:

Aquí está el esquema:

Aquí hay un vistazo al archivo de diseño de PCB para esa sección de la placa:

Al analizar la falla del IC del convertidor reductor, creo que puede ignorar el circuito de corte de batería baja. Esa parte del circuito simplemente usa un voltaje de referencia y un FET de paso del lado bajo para cortar el terminal negativo de la batería del resto del circuito cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 11 V.

Me parece que un cortocircuito externo en un dispositivo conectado al receptáculo USB no sería el culpable, ya que el TPS562200DDCT tiene una protección contra sobrecorriente incorporada:

7.3.4 Protección de corriente El límite de sobrecorriente de salida (OCL) se implementa utilizando un circuito de control de detección de valle ciclo por ciclo. La corriente del interruptor se monitorea durante el estado APAGADO midiendo el drenaje FET del lado bajo a la tensión de la fuente. Este voltaje es proporcional a la corriente del interruptor. Para mejorar la precisión, la detección de voltaje se compensa con la temperatura. Durante el tiempo de encendido del interruptor FET de lado alto, la corriente del interruptor aumenta a una velocidad lineal determinada por VIN, VOUT, el tiempo de encendido y el valor del inductor de salida. Durante el tiempo de encendido del interruptor FET del lado bajo, esta corriente disminuye linealmente. El valor promedio de la corriente del interruptor es la corriente de carga IOUT. Si la corriente monitoreada está por encima del nivel OCL, el convertidor mantiene encendido el FET del lado bajo y retrasa la creación de un nuevo impulso establecido, incluso el circuito de retroalimentación de voltaje requiere uno, hasta que el nivel actual se convierta en nivel OCL o inferior. En los ciclos de conmutación posteriores, el tiempo de encendido se establece en un valor fijo y la corriente se controla de la misma manera. Si la condición de sobrecorriente existe ciclos de conmutación consecutivos, el umbral interno de OCL se establece en un nivel más bajo, lo que reduce la corriente de salida disponible. Cuando ocurre un ciclo de conmutación donde la corriente del interruptor no está por encima del umbral OCL inferior, el contador se reinicia y el umbral OCL vuelve al valor más alto. Hay algunas consideraciones importantes para este tipo de protección contra sobrecorriente. La corriente de carga es más alta que el umbral de sobrecorriente en la mitad de la corriente de ondulación del inductor de pico a pico. Además, cuando la corriente está siendo limitada, el voltaje de salida tiende a caer ya que la corriente de carga demandada puede ser mayor que la corriente disponible del convertidor. Esto puede hacer que la tensión de salida disminuya. Cuando el voltaje VFB cae por debajo del voltaje umbral de UVP, el comparador UVP lo detecta. Luego, el dispositivo se apaga después del tiempo de retraso UVP (típicamente 14 μs) y se reinicia después del tiempo de hipo (típicamente 12 ms).

Entonces, ¿alguien tiene alguna idea de cómo pudo haber sucedido esto?

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Aquí hay un enlace a un diseño de referencia que utilicé para obtener valores de componentes y puntos de operación para el convertidor de dólares usando TI WEBENCH Designer:
https://webench.ti.com/appinfo/webench/scripts/SDP.cgi?ID = F18605EF5763ECE7

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He hecho algunas pruebas destructivas aquí en el laboratorio y puedo confirmar que obtengo una pila de plástico derretido muy similar al lugar donde solía estar el convertidor Buck si enchufo la batería con polaridad inversa. Dado que nuestra elección del conector de la batería ofrece una probabilidad relativamente alta de complementos accidentales de polaridad inversa (por ejemplo, 4% de probabilidad -> guiño guiño), parece probable que esto sea responsable de la mayoría de las fallas que observamos.

Sospecho una sobretensión en el chip, con una segunda posibilidad de saturación del inductor, como sugirió @oldfart en un comentario.

Su bypass de suministro es un condensador electrolítico, un poco alejado del chip y es un pequeño electrolítico, por lo que tiene un ESR relativamente alto (y, desafortunadamente, un ESR que aumentará a medida que el condensador envejezca).

La corriente de ondulación de entrada, en combinación con la inductancia parásita del cableado, puede provocar una sobretensión en la entrada del chip. Sugiero probarlo con un suministro con cables largos y probar en los límites del rango de suministro. Coloque un osciloscopio en los rieles de alimentación y vea qué tan grandes son los picos. Un condensador cerámico de 22 µF con un electrolítico (por ejemplo, 1000 µF / 25 V 105 ° C) en paralelo, si tiene espacio, sería mucho mejor. Verifique que la cerámica "22 µF" esté por encima de 10 µF con el voltaje de funcionamiento máximo. Debe estar lo más cerca posible del chip. Y, por supuesto, es mejor seguir las prácticas de diseño sugeridas en la hoja de datos tan de cerca como sea práctico.

La saturación del inductor es un problema diferente: tendería a ocurrir con un voltaje de suministro mínimo donde la corriente de entrada es máxima. Puede probarlo evitando el bloqueo de subtensión y reduciendo la entrada muy por debajo del mínimo normalmente esperado. Los síntomas serían una disipación de potencia excesiva en el chip.

Problema: condensador barato de alta ESR e ignorando las notas de aplicación de diseño.

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Ignorando las aplicaciones del automóvil si no corresponde, tome nota del requisito de condensadores de baja ESR.

Para este diseño se utilizan dos condensadores de salida TDK C3216X5R0J226M 22 μF. El ESR típico es de 2 mΩ cada uno. La corriente RMS calculada es 0.286 A y cada condensador de salida tiene una capacidad nominal de 4 A.

Tenga en cuenta que 22 μF * 2 mΩ = τ = 0.044 μs es un excelente rendimiento cerámico, donde los condensadores electrolíticos de baja ESR son <1 μs y los condensadores electrolíticos de uso general >> 100 μs. Dado que f >> 50 kHz esto es crítico para la regulación y mejorado con tres de las partes sugeridas en paralelo.

Es imposible lograr este bajo ESR * C = τ en un condensador electrolítico de aluminio, incluso con tipos de ESR ultra bajo. Es por eso que se utiliza cerámica en este diseño.

Si el ESR es demasiado alto y se aplican cargas escalonadas reactivas, entonces hay más posibilidades de inestabilidad, mayor voltaje de ondulación y sobreimpulso.

Si no tiene especificaciones de diseño o prueba automotriz o un plan de prueba de TVP con prueba de esfuerzo, este diseño no se ha completado correctamente.

La hoja de datos recomienda que C4 sea un condensador cerámico de baja ESR (20 µF a 68 µF). Parece que tienes un electrolítico de 22 µF. Todos los ejemplos de hojas de datos muestran dos 10 µF en paralelo. El valor real probablemente depende de la frecuencia. No tengo idea si esto puede o no ser un problema. Pero...

He fallado el MC34063, porque el capacitor de entrada era inapropiadamente bajo o tenía un ESR alto. La falla usualmente ocurrió al apagar, pero eso puede no ser relevante aquí.

A través de pruebas destructivas aquí en el laboratorio, parecería que la causa más probable de esta pila fundida de tripas de conversión de dólares fue la aplicación de polaridad inversa al convertidor de monedas.

Gracias a todos por sus ideas, definitivamente las usaré para mejorar la próxima iteración de este diseño.

Si tiene la intención de volver a visitar el diseño, elegir una pieza con un umbral de activación más estrictamente controlado permitiría reemplazar todo el circuito de corte de bajo voltaje por un simple divisor de potencial en el pin EN. Este ahorro de costos pagaría por el nuevo dispositivo y podría dar cierto presupuesto para algunos componentes de protección. El TPS562200 podría tener un límite de corriente de hasta 5.3A. El inductor probablemente esté muy saturado para entonces.

Sugeriría que la parte muy pequeña se está calentando cuando se coloca una carga sobre ella y simplemente se quema. El diseño de la placa tampoco muestra mucho en la forma de usar cobre como disipador de calor a nivel de placa para la pieza.

Es posible que necesite un disipador de calor, usar un paquete que tenga una almohadilla térmica integrada y / o encontrar otra parte en un paquete mucho más robusto.