[参考译文] OPA551：故障调查

您好 Kibria、

听起来、OPA551故障是由于输入电气过载(EOS)条件超过运算放大器的最大额定值而导致的。 您发现添加一个1至5k 系列输入电阻器这一事实极大地增加了运算放大器在不被损坏的情况下能够承受的电压、这一事实支持系统中的 EOS 问题。 最好了解施加到 OPA551输入端的内容以及损坏发生的时间。 简单地放置一个相似但不同的运算放大器可以解决这个问题、但是根本的 EOS 问题仍然存在。 如果它承受 EOS 事件的能力不如之前的高、那么其他许多新运算放大器可能会受到攻击。

通过 限制 EOS 事件期间可能尝试流动的最大输入电流、添加串联输入电阻可证明是一种有效的补救方法。 或者、通常在输入端添加瞬态电压抑制器(TVS)二极管来钳制 EOS 事件。 有双向 TVS 二极管将钳制超过 额 定电压的 EOS 输入事件。 TVS 无需添加串联输入电阻即可提供高级别的保护。

应用是否使用完整的 OPA551 200mA 输出或较低的电流？  我们没有 OPA551的直接替代产品、但如果您告诉我们应用当前使用的封装类型、我们可能会提供 可用的 HV 运算放大器。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

Thomas、

遗憾的是、这些故障发生在船上的设备上、因此很难确定具体故障发生的时间。 当检测到故障时、如果在初始化条件下运行内置测试、水手通常会更换电路板(CCA)。 CCA 最终会前往维修厂进行维修、而且大部分时间都是由于此运算放大器出现故障。  

该运算放大器(PDIP-8)用于连接示波器输入通道的单位缓冲器、因此我怀疑它会驱动很大的电流。 该位通过生成具有特定频率的信号并将其馈送到输入通道来测试示波器。 如果频率不匹配、则会抛出错误代码、通常通过替换运算放大器来解决该错误代码。

在 实验室单元上进行测试时、发生故障的运算放大器始终不输出信号(0Hz)、但车队向我们展示了一种情况、即记录运算放大器输出信号、但频率失真。 遗憾  的是、它们仅记录位错误代码而不是测量的频率、因此我们有关车队故障的样本大小很小；一个运算放大器输出0Hz Andon 输出错误频率(预计为300Hz ->测得的6716Hz、1000 -> 6392、3500 -> 6078、7000 -> 8080)失败。 因此、很难辨别真正的故障模式。 由于它的运行电压为+/-30V、因此甚至可能有多个电压、这是数据表中列出的绝对限值。  

TI 是否可以检查/扫描我们从车队获得的故障组件、并将其与已知合格的芯片以及实验室故障组件进行比较？ 我坚持在不确认故障原因真正是什么的情况下寻求解决方案。  

您好 Kibria、

我知道、由于 OPA551应用的性质、您可能无法提供实际的应用电路。 通常、如果我们不仅可以看到特定的运算放大器电路、还可以看到它如何与直接连接的其他电路连接、这会很有帮助。

您提到"我已经试用了已知良好的运算放大器、许多运算放大器在+/-30V 电源供电时即使向输入施加~25V 正弦信号也会失败。" 如果您确实要在符合数据表规格的基准测试中设置新的 OPA551产品并查找 故障、 那么这肯定是我们需要了解和解决的问题。

您能否提供有关基准测试设置以及 OPA551器件在哪些条件下发生故障的完整信息？ TI 在准备发货之前对 OPA551产品进行了全面测试、因此我们知道此时该产品还不错。 但是、如果在数据表允许的运行条件下收到故障、则表明正在发生我们需要调查、了解和更正的情况。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

e2e.ti.com/.../TSTS-Resistor-White-Paper-_2D00_-TI.pdf

Thomas、  

有关我们执行的一些测试的详细说明、请参阅随附的。 它在21VAC 左右发生故障、但这是60Vpp、因此可能与数据表一致。 我还附上了 U12子电路的图片。 该子电路是通道 B/U18的重复电路。

您好 Kibria、

对于 OPA551器件的设置和故障、我有一些一般性问题：

1. 从管装或卷盘上拆下设备并安装到固定装置中之后、设置和 ESD 安全设置是否安全？
2. 在+/-30VDC 导通之前、是否未施加高达21VRMS 的输入交流信号？
3. 出现故障的器件是否会直接因应用直流电源和交流输入而发生故障、或者器件是否已循环多次？
4.  在上电、运行和断电期间、您是否观察到交流输入、交流输出和直流电源、并在示波器上连接了这些电源中的每一个？ 目的是查找可能发生的任何过压瞬变或振荡。
5. 您是否观察 到功能器件的直流电源电流以及故障器件？
6. 故障器件是否会显示任何封装物理损坏迹象、例如发生故障后过热？

 您观察到的任何其他内容以及我没有提到过的内容都证明是有用的。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

1.      从管装或卷盘上卸下设备并安装到固定装置中之后、设置和 ESD 是否安全？

是的。 在安装器件之前、我们从未发现 ESD 是导致故障的原因。

2.      在+/-30VDC 导通之前、是否未施加高达21VRMS 的输入交流信号？

是的。 之前的软件更新已经确保了在电源被打开前、输入信号永远不会到达器件。

3.      出现故障的器件是否会直接因应用直流电源和交流输入而发生故障、或者器件是否已循环多次？

器件永远不会立即发生故障。 它们在运行一段时间后、似乎会以不可预测的间隔出现故障。

4.       在加电、运行和断电期间、您是否观察到交流输入、交流输出和直流电源、并在示波器上连接了其中的每个电源？ 目的是查找可能发生的任何过压瞬变或振荡。

我们使用示波器观察了交流输入和输出、但没有观察到直流电源。 我们使用精密直流电源为芯片供电。 这不会导致任何故障、因为除非输入引脚过压、否则 OPA551绝不会发生故障、如文档中的结果所示。  

我们在输入或输出线上都没有看到任何明显的瞬变。  

5.      您是否观察 到功能器件的直流电源电流以及故障器件？

功能器件在每个+/-30Vdc 电源上的典型值介于6.8-7.2mA 之间。 我们已经看到、由于输入引脚上的过压条件、+/-30Vdc 电源上的直流电源电流大约为4.2mA、因此我们在实验中失败了。 但是、我们没有获得在实际使用过程中自然发生故障的器件。 完成后、我们将测试他们的电流消耗是否与我们的调查结果相符。

6.      故障器件是否会显示任何封装物理损坏的迹象、例如发生故障后过热？

我们尚未获得未在实验中失败的器件。 然而、答案可能不是、因为维护人员从未提到任何物理故障迹象。 我将与他们联系以验证这一点。 组件在实验中出现故障、未显示故障的物理指示。

明白。 我相信这也是最可能的原因。 但是、所有运算放大器在出现故障时都会以这种方式输出0Hz 信号。 您是否认为其他故障模式可能导致上一帖子中描述的实例频率失真/不匹配？ 我想说明我们的所有基础，并防止有必要根据一项假设提出的建议进行第三次调查。 对运算放大器内部进行扫描是比较损坏情况的最理想方法。

您能否推荐一些可替代此器件但具有更高电压容差的特定组件？ 我们想订购它们并比较它们的性能。

基布里亚

您好、Kibria、

总的来说、OPA551具有很高的可靠性、我们不会收到您的应用所遇到的某种故障问题的报告。 您提到输入信号设置为0Hz 时出现故障、我假设这意味着输入电平也是0V。 如果您只是使用50欧姆终端器等设备将测试仪的输入端接地并对电源进行循环、您是否仍然会看到故障？ 如果您这样做、则表明可能会发生电源 EOS 情况。  

您是否可以捕获在应用程序或测试设置中通过并损坏的几个器件的图像？ 我想确保产品的所有内容都是正确的。 您是否知道贵公司从何处获得 OPA551产品？ 如果它直接来自 TI 或我们的授权经销商之一、则可以减少一些担忧。

还有一些其他的 TI HV 运算放大器会进入8引脚 SOIC 封装、并且很可能满足缓冲器应用的需求。 它们的最大输入电流为+/-10mA、并且在与 OPA551不同的半导体工艺中进行处理。 这可能会也可能不会提高  应用程序的生存能力。 它必须是您在应用中评估的内容。

这些运算放大 器将封装的引脚1、5和8用于其他功能、因此需要根据其数据表进行适当连接、或在 OPA551应用中悬空。 此外、其封装的底部有一个散热焊盘、需要将其连接到 V-电源电平才能正常运行。 以 OPA454数据表为例：

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa454.pdf

此致、Thomas

精密放大器应用工程

我认为我不清楚。 输入设置为0Hz 时无故障。 示波器和运算放大器扩展后仅用于测量频率。 在测试集的内置测试过程中、函数发生器用于生成不同频率的信号、该信号会路由到示波器通道。 示波器测量频率、当测量的值与设置的值不匹配时、测试集会引发故障。 当我将在实验中出现故障的 OPA551放入测试集中时、测试集中始终测量0Hz。 这是有道理的、因为这意味着没有输出。 但是，在机队中，有位发生故障的情况，但不是0Hz，而是与设定频率不匹配的不同频率。 我在上面的第二篇文章中提供了具体示例。

假期结束后返回实验室时、我可以提供故障组件的图像。

我不确定车队从何处获得 OPA551、但我已从 DigiKey 购买了我的。 在 对所有组件进行任何测试之前、均已验证它们是否正常工作。

非常感谢、我将介绍该组件。

基布里亚

您好 Kibira、

是的、频率测试 结果很难调和。

我已经与我们的质量团队讨论了 OPA551问题。 以下是有关后续步骤的两个注释：

• • ‘运算放大器的图像(理想情况下是“始终通过”的放大器)
  • 在应用配置中使用热敏电阻来解决运算放大器故障和通过问题(过载…的证据 关闭/热点分析)

重要的是、接收通过/失败器件的顶部图像、以便我们可以检查代码并查看代码所提供的信息。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

我终于收到了车队的电路板卡、其中的组件出现故障。 任何图片中均未显示明显的物理损坏。  

我用 从车队收到的这张卡替换了测试组中已知良好的电路板卡。 频率误差显示为0Hz 、这是一个很好的迹象、因为这与故障运算放大器的实验结果相匹配。 我将输出连接到示波器、奇怪的是、无论输入如何、U12 (通道 A 运算放大器缓冲器)的测量值均为-240Vdc。 U18 (通道 B 缓冲器)运行正常、与已知良好的电路板的性能相匹配。  

我将在下周的某个时候提供始终通过的运算放大器的照片以及 FLIR 摄像头下的照片。   

您好、Kibria、

我看到两个问题：

输入分压器中存在错误。 继电器 K8和 K9的接线方式只允许极小的20pA OPA551输入偏置电流流经继电器触点、但无信号电流。 请记住、在惰性气体环境中没有大量金触点的标准继电器需要最小的电流流经触点、以确保正确接触。 但在该电路中、继电器触点强制执行"干式开关"、而这些触点不是为其设计的。

最好通过以下方式为继电器接线：

另一个问题是 OPA551的输入端没有任何保护电路。 甚至不能看到与+输入串联的强制限流电阻器。

我还问自己、为什么输入信号这么高？ 为什么电路以如此高的电源电压运行？ 为什么不使用输入分压器将 OPA551的输入电压降低至一个共模电压范围、并保证永远不会超出 OPA551的共模输入电压范围？ 比如这样吗？

R4将额外用作限流电阻器、用于保护 OPA551的输入。 使用分压器时、甚至可以选择具有较低电源电压的其他运算放大器。

OPA551输入端的二极管钳位可以实现更好的保护。 但是、由于二极管(CR2、CR3)与电源电压线串联、过压需要由每个电源电压引脚到信号接地的额外 TVS 进行钳位。 但这种测量没有余量、因为 OPA551的电源电压接近 OPA551的绝对最大额定值+/-30V。 如果电源电压仅为+/-25V、例如、可以安装两个27V TVS。

在电源电压非常接近绝对最大额定值的情况下运行 OPA551的另一个缺点是、电源电压线路上绝对没有过压尖峰和毛刺储备。 每一个小毛刺脉冲都会使 OPA551承受压力、而一个好日子、OPA551将从一个瞬间停止正常工作。

Kai

Kibria、

我同意 Kai 的说法、如果由于开关/电缆插入/电源干扰而产生任何瞬变、此电路容易损坏。  当此设备运行时、是否在通电时添加/移除电缆？  您所附的文档还验证了输入端的串联电阻器将有助于提高过压稳健性、我认为我们在这方面都是一致的、但这种变化是否已经实现？

请记住、即使输入电压仍然存在、但电源会以某种方式下降、您也可以超过绝对值。 最大 驱动输入超过电源电压。

您能够在电路板上测量240V 尤其令人担忧。 我看到您在上面评论了如何为电源使用直流电压源、但这里绝不能如此。  +/- 30V 电源是否仍然稳定？  您能否向我们提供有关如何生成30V 电源的更多信息？

Thomas 将于下周回来帮助您解决这个问题。

此致、
Mike

Kai、

我同意您对电路设计的所有问题。 遗憾的是、我们没有设计电子产品、因此我们不确定设计中所做的所有选择的理由。  

示波器仅用于测量频率、而不是振幅、因此理想情况下应使用某种分压器来保护输入。

我同意您关于以最大额定值运行运算放大器的观点、这不是一个明智的想法。 遗憾的是、如果不对电路板进行完整修订、则无法轻松实现所有这些更改。 因此、我希望找到一个规格更高的替代组件来替代运算放大器。 甚至是一种可安装在更小 PCB 上的解决方案、该 PCB 会插入到运算放大器的 DIP-8封装中。 该解决方案只能抽头运算放大器可用的信号、而无需添加返工线。

最终、我将向该计划提出的潜在解决方案之一是包含您建议的所有更改的电路板修订版、但这将是最昂贵的选择、我希望找到更优雅的解决方案。  

Mike、

在设备运行时、不应将任何东西插入/拔出设备、但我们不是维护人员、因此我们无法说明它们是如何使用设备的。 如果他们在 TSTS 运行时更换 UUT、我也不会感到意外。

运算放大器由2个30VDC 开关稳压器供电、这些稳压器由测试仪的28VDC 主电源供电。 我今天和本周的剩余时间都不在、因此我将在下周回来时提供这部分原理图。 我不确定-240Vdc 的来源(测试之间的值从-240到-190VDC 不等)、我希望通过探测电路板来了解更多信息。 我猜它与运算放大器的输出浮动有关、并表现为以示波器接地为基准的高电压差、因为该设计中任何接近该电平的地方都没有直流电压。 可能是+/-30 VDC 电源是稳定的、因为 U18的子电路(U12的通道 B 对应电路)功能正常。  

感谢您的深刻见解。  

此致、

Kibria

您好、Kibria、

[引用 userid="507823" URL"~/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum 1061939/opa551-failure-investiging/3942465#3942465"]我将输出连接到示波器、奇怪的是、U12 (通道 A OpAmp 缓冲器)测量值为-240Vdc、无论输入如何。

当您在+/-30V 运算放大器的输出端测量240Vdc 时会出现严重错误、这绝对是一个必须解决的问题。

降低+/-30V 电源电压不应太困难。 在靠近+/-30V 开关的电源电压线路中插入一些串联二极管(并且所有负载均可通过这种方式得到均匀减少！) 只要+/-30V 开关正常工作并且不会产生过多纹波和过压尖峰、就会有所帮助。 还请记住、某些开关确实需要最小负载电流才能保持稳压状态。

通过分压器减少输入信号也应该是一项简单的任务、尤其是在绝对振幅不像您提到的那样发挥作用的情况下。 最终必须修改 R27和 R29。

Kai