[参考译文] TPS61200：Vin &gt 故障；= 4.2V

您好、Scott：

感谢您的提问。

首先、请确保在测试之前没有焊点问题、所有组件都很好。 (包括新型 TPS61200)

之后、请按照以下步骤执行测试 U1：

1.以3.6V 输入电压加电，检查后一切正常，然后启用转换器并保持不变。 然后捕获 Vin、Vout、L、Vaux 的波形。

2.然后缓慢升高 Vin、以检查问题发生的时间。 并再次捕获波形。

3、之后、将输入电压降低回3.6V、看看转换器是否能正常工作。

最好通过开关周期的详细信息和瞬态的概述来捕获波形。

感谢您的快速回复。  我将为您提供一些图。  在此之前、我仍有一些问题。

我们在现场有1000个器件、它们在输入电压介于1.6 - 3.6V 之间时工作正常。  什么因素会使 TPS61200器件更容易因输入电压较高而受损？  4.2V 仍低于器件的5.5V 最大额定值。

当 TPS61200器件发生故障时、该器件将在启用后立即启动。 该器件在启动和运行后似乎不会出现故障、并且输出稳定。  这似乎只是启动期间的问题。

在输出端具有大电容(~450uF)和更高的输入电压是否会在电感器开关引脚(SW)上产生更高的电流和可能的过大电压尖峰？

感谢您的帮助-

Scott

您好、Scott：

问题是否仅在启动期间发生？ 如何使用转换器保持使能功能将输入电压从3.6V 上升到4.2V？请在没有大输出电压的情况下添加测试、以检查问题是否消除。

最好在测试后进行深度分析并使波形失真。 感谢您的理解。

启用 TPS61200后立即发生此问题。

如果 Vin 设置为3.6V、然后器件被启用、它将正常工作。  TPS61200启动并运行后、我可以将输入电压从2.0扫描到4.5V、而不会出现任何问题。 这似乎是一个启动问题。

尽管此器件声称具有软启动功能、但它不能正常工作。  该器件将消耗相当大的电流(>2A)以尽快斜升输出电压。  我们在2018年初与 TI 应用工程师(Jasper Li)确认了此问题。  这也可以在 TI 评估板上进行复制。   当 Vout 上有额外的电容时、该问题会加剧。

使用碱性电池时、这种高浪涌电流有时会将输入电压下拉(由于电池的内部电阻)、使其达到产品复位的程度。  为了解决这一问题、我们在10ms 的周期内对使能线路进行几次脉冲、然后 将其永久设置为高电平。  这降低了峰值浪涌电流。  当我们上次与 TI 讨论此解决方法时、他们表示不应对器件造成任何损害。  输入电压越高、情况可能就不是这样。

对于较高的输入电压(4.2V)、我想知道我们是否会在斜升阶段在电感器中获得更高的电流。  当内部电感器开关关闭时、我们可能会得到一个大的电感反冲电压、从而导致器件停止工作。

我将尝试使用一些额外的电路板进行测试。  遗憾的是、我没有任何额外的工作板、我们的实验室技术人员生病了。  TPS61200并不是一款易于返工的器件。

感谢您的帮助-

Scott

我有一些图、我想与您一起查看。  我没有使用最高分辨率/最高速度的示波器、因此应将这些值视为相对值而不是绝对值。

我最关心的是当使能引脚 取消置位而输出电压仍在上升时"L"引脚上的电压过冲。

我在下面的原理图中所示的位置有示波器和电流探头。

下面示波器布线上的通道配置如下。

在以下各图中、输入电压(Vin)设置为3.0V。  TPS61200的输出电压(Vout)设置为大约5V。

图1
水平刻度- 200usec/div
当 TPS61200的 Vout 仍在上升并且器件仍在主动开关时、使能引脚被禁用。  在 Vout 达到5V 设定点之前、器件被禁用。  在 Vout 斜升阶段、器件的电流消耗约为2A。

图2
水平刻度- 10usec/div
图1的放大图显示了关闭电感器开关时的大电压尖峰。

问题：
为什么最终脉冲上存在如此大的电压过冲？
为什么器件在使能失效后需要56uec 才能停止开关？

图3
水平刻度- 250usec/div
在此图中、器件 无限期启用。  一旦 Vout 达到设定点(5V)、开关就会停止。  该器件配置为省电模式。  不存在像之前的图中那样的大电压过冲。

图4
水平刻度- 10usec/div
图3的放大图显示了电感器开关的最终脉冲。

由于 TPS61200在启动期间消耗了大量电流、因此我们对使能线路进行了几次脉冲、以分散浪涌电流。  这是必需的、因为2A 的大电流消耗会拉低所连接的碱性电池的电压。  如果电池部分放电、压降可能足以重置我们的处理器。  两年来、我们一直在使用这种方法。  在此期间、我们的最大输入电池电压为3.6V。  现在、电池输入电压为4.2V、我们遇到了 TPS61200内部短路问题。  在使能失效时看到的大电压尖峰与我有关。  最终曲线图显示了 TPS61200的启动情况、使能端通过我们的软件进行脉冲。

图5
水平刻度- 2msec/div
使能线路通过脉冲方式降低浪涌电流。  总共有13个持续时间增加的脉冲。 当 Vout 仍在上升时、前8个脉冲上会出现较大的电压尖峰。

图6
水平刻度- 10usec/div
图5的放大图显示了第3个使能脉冲的结束。

如注释所示、上述所有图的输入电压均仅为3V。  输入为4V 时、电压过冲的峰值甚至更高。  我猜、输入为4.2V 时、我们可以看到尖峰大于器件可以处理的值。

我期待你的评论。

感谢您的帮助-

Scott

您好、Scott：

感谢您提供的详细补充资料。 这真的值得进行讨论。 我还邀请了经验丰富的专家贾斯珀来看看。 根据我们在实验室中的测试、我们发现 TPS61200在 Vou < Vin 时无法在启动期间很好地限制电流。 峰值电流可能达到2A、与您的测试结果类似。

对于您的问题：

1、为什么在最终脉冲上会出现如此大的电压过冲？ 电感中存在一些能量。 当两侧开关关闭时、它将为 FET 的寄生电容充电。   

2.为什么器件在使能失效后需要56uec 才能停止开关？ 逻辑电路需要时间才能工作、响应速度不快。

以及一些推荐的解决方案：

如果您不需要输出短路保护和真正的断开负载功能、则可以在输入电压和输出电压之间添加一个串联电阻的二极管来限制电流。 这将有助于在转换器启用之前为接近 Vin 的 Vout 充电。 (如果您需要在禁用期间断开负载、请使用负载开关替换二极管、否则背对背 FET 也可以正常工作。)

2.按照应用手册延长启动时间。  http://www.ti.com/lit/an/slva307b/slva307b.pdf

3.将转换器替换为其他新部件，如 TPS61099。  

感谢你的答复。

您是否认为、当我们禁用器件时、当电流仍然很高(~2A)时、发生的电感反冲有可能会损坏器件(请参阅上面的图2)？

我们看到、当输入电压高于4V 时、此故障的发生要高得多、这会增加关断期间尖峰的峰值电压。

如果电压尖峰是问题所在、一个简单的软件"修复"就是启用 TPS61200、并且仅在负载电流较低时禁用它。  如前所述、实现了使能脉冲、以防止系统在由部分放电的碱性电池供电时复位。  如果这种情况能够防止 对器件造成永久损坏、我可以忽略这种情况。

再次感谢您的帮助-

Scott

我只是在我的范围仍然被附加的情况下发现了失败。  当输入电压设置为4.4V 时会发生这种情况。

TPS61200在内部似乎在第6个和第7个使能脉冲之间的某处短路。  在器件开始切换时的第7个使能脉冲上、电流会达到5A、这是输入电源(Agilent U8002A)的限制。  我猜是第6个使能脉冲末尾的大电感反冲尖峰导致器件损坏。

在此测试期间、我一直在使用不断增加的输入电压为 TPS61200加电。  我从3V 开始、然后慢慢向上。 当器件发生故障时、这是第二次在输入电压= 4.4V 时启用器件。

在发生此故障之前、我一直在运行一些启动测试、而没有对使能线路进行脉冲。  我在输入电压范围为2.2V 至4.5V 的情况下运行了这些测试。  我在4.5V 下运行测试10次以上、没有任何问题。  在使能线路保持置位的情况下、我从未在电感器开关节点(引脚3)上看到过大电压尖峰。

您是否同意在器件消耗2A 电流并升高输出时禁用器件时出现的电压尖峰最有可能导致故障？

由于此电路板已投入生产多年、因此最快的"修复"将是通过软件删除使能脉冲。  完成此操作后、我们可以专注于改进布局、添加缓冲电路或用其他电路替换器件。

谢谢-

Scott

您好、Scott：

感谢您耐心等待。

L 引脚的最大电压限制为7V、但应留有裕度。 (即使如此、我们也不建议让尖峰电压超过它。) 恐怕这可能不是根本原因。

如前所述、启动期间的电感电流可能非常大、甚至在一段时间内大于2A。 根据电感的数据表、电感值在饱和后将迅速减小。 因此、我不确定是否只更改软件即可避免此问题。 最好在实验室中进行一些测试。

如果您愿意更改原理图或布局、可以添加一个与 R10并联的正向反馈电容器、或按照我之前分享的应用手册操作、以延长启动时间并尝试减小浪涌电流。 正如我之前提到的、有多种解决方案。

我运行了一个测试、在该测试中、我使用各种输入电压对 TPS61200进行了循环。  该器件每5秒启用一次。  启用持续时间为500ms。  在4.5s 关断时间内、允许 Vout 衰减回接近于接地。  在每个输入电压设置上、这个周期被重复500次。

在使能信号无脉冲的情况下、我能够在以下输入电压下运行该测试、而不会出现任何故障- 2.0V、3.6V、4.0V、4.2V、4.4V、 4.5V、4.7V 和4.9V。  这相当于总共有4000个启用周期、而不会出现故障。

当我使用使能线路的脉冲运行同一测试时、我在4.1V 的输入电压下遇到了故障。  部件在113rd 周期内内部短路。

使能信号脉冲时出现的最大电压尖峰最高比没有任何使能脉冲时大2V。  当 TPS61200将输出斜升至5V 设定点时、出现了最大的尖峰。  一旦达到5V 的斜升完成、尖峰会进一步降低。

在这一点上，我认为我相信以下几点。
对使能信号进行脉冲以减小浪涌电流是不安全的。  如果在 器件主动开关并升高 Vout 时使能信号无效、则可以在(L)引脚上获得大电压尖峰。  这些尖峰可能足够高、足以损坏器件。
2.只需将 ENABLE 线路置为有效并保持开启状态即可降低器件所见的峰值电压。

此时、我需要一个"快速"解决方案、使我们的器件能够与高达4.2V 的输入电压兼容。  消除使能信号的脉冲似乎为我们提供了更多的裕度。  这是一个简单的解决方案、只需对器件进行软件更新即可实现。  完成此操作后、我可以花更多时间分析电路和布局、看看是否可以进一步改进。  

图1 -无使能脉冲(启用器件后的初始操作、水平刻度- 5msec/div)

图2 -无使能脉冲(使能周期测试、水平刻度- 1sec/div)

图3 -具有使能脉冲(启用器件后的初始操作、水平刻度- 5msec/div)
       (13个使能脉冲、占空比在13毫秒内增加)
       与图1相比、电压尖峰要大得多

图4 -具有使能脉冲(使能周期测试、水平刻度- 1sec/div)
           (13个使能脉冲、占空比在13毫秒内增加)

感谢您的帮助-

Scott

您好、Scott：

很高兴看到您完成了大量测试和专业安排、并找到了可能的解决方案。

根据图1和2、信号看起来都很好。  

对于图3和4、正如我上次提到的、电感续流没有低阻抗路径。 由于电感的电流无法即时变化、因此尖峰电压可能会达到更高。(我不确定高侧开关是否会在禁用后完全关闭、但很明显、阻抗在该时间足够大。) 如果您对此感兴趣、我可以与团队联系或在我返回实验室后进行测试。  

" 当 TPS61200 将输出斜升至5V 设定点时、出现了最大的尖峰。  一旦达到5V 的斜坡完成、尖峰会进一步降低。"   [Minqiu]-> 我认为这是因为电感的电流在它完成启动后要低得多。

1."对使能信号进行脉冲以降低浪涌电流不安全。  如果在 器件主动开关并升高 Vout 时使能信号无效、则可以在(L)引脚上获得大电压尖峰。  这些尖峰可能足够高、足以损坏器件。"    [Minqiu ]->我同意你的意见。 绝不建议使用高于最大值的尖峰、否则会损坏器件。  

2."只需将 ENABLE 线路置为有效并保持开启状态即可降低器件所见的峰值电压。"   [Minqiu]->是的、它避免了尖峰电压。 但我无法 保证每个器件的峰值电流都限制在2A 以下。 这将是一种风险、但这取决于您的决定。

"此时、我需要一个"快速"解决方案、使我们的器件能够与高达4.2V 的输入电压兼容。  消除使能信号的脉冲似乎为我们提供了更多的裕度。  这是一个简单的解决方案、只需对器件进行软件更新即可实现。  完成此操作后、我可以花更多时间分析电路和布局、看看是否可以进一步改进。  "  [Minqiu]->如果您不想更改原理图，这似乎是唯一的解决方案。 但是、正如我提到过的、电流尖峰仍然存在风险。

这真的是一个有趣的案例。 很抱歉、我现在已经离开实验室了、否则我将愿意参加我身边的测试。 如果您不介意、我们可以在我返回实验室(11月初)后更深入地分析此案例。