[参考译文] LM3150：LM3150处的外部高侧 FET CSD18504损坏

您好、Tilmann、

开关是否稳定？ 您能否共享开关节点波形。

 它们在 SW 节点上是否有高振铃？

此外、为了重现此问题、您可以打开和关闭电路板的输入电源、并通过输入和输出电压捕获电感器电流

除纹波注入电路外，原理图对我来说基本上是可以接受的。 您需要交换 C8和 C14。

----阿姆布雷什

您好、Ambreesh、

是的、开关是稳定的、没有太多的振铃。

我将附上一些示波器屏幕截图、其中显示了一些相关曲线。

遗憾的是、我没有高频电流探针、因此无法直接测量电感器中的启动电流。 但是、从时序和电压来看、电感器绝不应达到饱和状态(甚至接近饱和状态)、其额定电流为8A (Würth 7447709150)。

纹波注入反馈中的电容器应正确。 它们遵循 Webench 设计、并且在仿真和实际应用中也能正常工作。

谢谢、此致、

Tilmann

e2e.ti.com/.../LM3150_2D00_measures.zip

感谢 Tilmann 分享波形。

开关在稳态下看起来稳定。

在实际系统中，是否有一根长导线连接到24V 输入？ 电源来自何处？ 是否有任何其他负载连接到此24V 电源？由于线束电感较长，您可能会看到高电压振铃，这可能是损坏的原因。 解决方案是将一些大容量电容放置在电路板的输入端。

此外、如果输入线电感不会导致这种情况、您可能需要重复我经常打开和关闭输入并查看 SW 节点波形的问题 (因为您没有电流探头)。预偏置启动可能也会出现问题，即输出电容器可能在开启期间放电并导致损坏。 如果这是原因，您将在打开过程中看到 SW 节点上的电压尖峰。

就纹波注入电路而言，交流耦合电容器应比积分器电容器(电感器上的 RC 电容器)大3到4倍，这样它就不会改变 FB 计算。 不过，如果您获得稳定的开关和所需的输出电压设置，则纹波注入电路应该正常，不会导致任何故障。

----阿姆布雷什

您好、Ambreesh、

感谢您的回复。

在目标器件中、电源由24V 锂离子电池供电(这就是使用20V 至28V 输入电压计算稳压器的原因)。 另一个电路板的导线长度约为30cm、其中电源通过高侧开关进行开关、 另外还有两 个 TVS 二极管(1.5SMC33A、HSS 前后各一个)、用于抑制系统可能产生的任何尖峰(负载变化等)。 除了为另一个电路板上的逻辑和微控制器供电的降压稳压器外、没有其他任何东西连接到 HSS 或该导线的输出。

您能更精确/更详细地了解一下"预偏置启动"情况吗？ 我看不到输出电容器在开通期间如何放电、以及这对高侧 FET 有何危险/为何如此。

Tilmann

您好、Tilmann、

您与电路板有一条较长的导线连接，但没有足够的电容。 此外，您还使用了陶瓷电容(C17和 C18)，在24V 直流偏置时 ，电容将比额定10uF 小得多。 这可能不是故障的原因，而是设计中的一个缺陷。 请在 CN6连接器附近的输入端添加47uF/50V 大容量电容。

此外，另一种解决方案是在上述同一电源板上使用 TVS、反向保护以及大容量电容器。

此外、在预偏置启动期间、输出电容器充电且器件启用、 低侧 FET 导通，电流可能反向流过电感器，低侧 FET 返回输入 。这种过大的反向电流可能会导致低侧 FET 损坏。

----阿姆布雷什

您好、Ambreesh、感谢您的评论。
虽然无法将 HSS 移到该板上、但我们将使用额外的 TVS 和大容量电容器进行一些测试。 明天、我将在客户工厂进行一些真实环境的测量。
我认为预偏置情况不是我们这里的问题、因为低侧 FET 从未停止。
谢谢、Tilmann

您好、Ambreesh、我刚从客户所在的位置进行测量回来。

简而言之：在任何运行状态下、输入电压绝对没有任何关键因素。 我随附了一些屏幕截图、其中显示了上电时的电压(上升速度非常缓慢、完全没有振铃)、并且在电机运行速度相当快的情况下、您可以看到电机速度调节器引起的反冲、但它仍然远非关键。 没有其他负载甚至对电源电压有可测量的影响。

更糟糕的是、我还得到了这样的信息、即到目前为止、大多数缺陷单元在通电一段时间后便死亡、而没有执行任何操作。 无上电(或关闭)、无电机移动、无负载变化。 他们只是盯着这些设备，做了一些测试(没有问题)，然后把它们单独留下来，在一段时间(也许几个小时后)回来的时候，电路板就会死了。

我现在真的缺乏想法...

谢谢、Tilmann

e2e.ti.com/.../Power_2D00_Measures.zip

您好、Tilmann、

这很奇怪。 当您说客户在没有电机移动的情况下发现故障时，什么负载连接到5V 输出。您是否可以在客户机设置时探测 SW 节点波形？   可能是由于顾客的设置导致了一些问题。

此外，在电机运行时，我可以看到输入电压升高，这表示返回电池的负电流。

我是否可以知道该电机的位置？ 它是否在24V 总线上工作，控制器是否由5V 电源轨供电？

您应该做的一件事是在电机运行时检查降压设计的 SW 节点和电感器电流。 电机运行时、它们在设计中是否存在任何不稳定性？

连接到电池的电感负载的问题是当电源断开时，  您可能会在直流/直流转换器的输入端看到负脉冲，这可能会损坏设计。

。

----阿姆布雷什

您好、Ambreesh、

是的、这很奇怪-如果不是、我不会在这里问... :-)

连接到5V 输出的唯一负载是 IPC 板。 SW 波形包含在第一个 zip 文件中(我使用真实的电路板进行了这些测量)。 由于所有外部 I/O 均通过接口(主要是 CAN)进行连接、因此 IPC 板的电流消耗不太可能显著变化。 5V 输出的纹波在运行中约为10-20mVpp、在稳压器切换时、输入端也只有很小的尖峰。

连接完所有24V 负载后、电池的电压通过主电源开关馈送、包括包含 HSS 的另一个板、该板最终会切换逻辑电源。 电机是仅连接到该24V 电源轨(通过附加安全继电器)的智能驱动器、并通过 CAN 接口进行控制。

要在电机运行时在 SW 处进行测量、我需要再次拜访客户... 但是、请记住、故障发生在没有电机运行(没有发生任何其他情况)的情况下。 我们也不是在电机运行或制动的那一刻就有人关闭主开关。 (如果发生这种情况、另一个板上的两个强 TVS 二极管将至少为我们这里的稳压器提供某种保护、并且我们在其输入端也有一个用于反极性保护的二极管。)

此致、Tilmann

您好、Ambreesh、

记录在案：我现在可以确认只有高侧 FET 受损。 我在四块电路板上更换了它、之后它们都可以很好地工作(除了其他因5V 电源上的过压而损坏的器件...)。

此致、Tilmann

您好、Tilmann、

故障是否更容易在客户地点重现？ 在这种情况下，是否可以用60V 相同尺寸的 FET 替换40V FET 并评估电路板。

----阿姆布雷什

您好、Ambreesh、

一个问题是、我们根本无法重现故障。 由于(直到现在)故障在经过更长的完美运行时间后出现、虽然没有发生任何其他情况、但也很难观察到。 我们还无法在客户所在地的实际机器中强制发生故障。

当然、在维修电路板时、我已经将40V FET 替换为60V 型(CSD18537)、以获得有关输入电压的更多安全裕度。 但是、更换我们已经交付的900个 FET 并不实际、尤其是因为我们不知道导致故障的真正原因。 请注意、这些电路板中有许多已经组装到机器中、这些机器已经交付或打包到最终目的地。

OTOH、我们也不能忽略这些故障、只能交付机器、因为我们不知道它们是否会在以后的现场发生故障。 :-)

此致、Tilmann

您好、Tilmann、

我还支持 LM3150、并且一直在关注这个讨论。

我查看了您发送的示波器截图(尤其是 SDS00004电机 Run.png)、很明显、电机驱动器的电源会有一些反馈馈入5V 电源、然后再反馈回 LM3150的 VBUS。 在上面的原理图中、有一个二极管 D2、看起来可以防止 LM3150 VBUS 向电源反馈。 似乎没有任何东西钳制 VBUS。

我的感觉是、当电机关闭时、电机驱动器会向 LM3150的 VOUT 注入更多的功率、而有更多的功率流回 VBUS。 您发送的示波器截图看起来是在电机启动或运行期间拍摄的、我建议查看电机关闭或停止时的 VBUS 以了解 VBUS 的行为。

无论如何、在二极管 D2之后、TVS 或其他过压保护器件应该具有一些 VBUS 钳位。

Perry

您好 Perry、

感谢您的回复-但我担心您的回答不完全正确、因此遗憾的是您的回答也与情况不符。 为了澄清这一点、我要附上完整电源系统的草图。 另外、请再次仔细阅读整个主题、因为之前已经提到了许多详细信息。

请注意、只有 IPC (小型单板计算机)连接到此开关稳压器的5V 输出。 所有电机都是直接连接到24V 电源轨的智能驱动器。 在该电源轨和该稳压器的输入之间、有一个高侧开关-在输入和输出端都有脂肪 TVS 二极管、用于钳制在该24V 电源轨上注入的任何尖峰。

因此、绝对没有任何电机(或任何其他电机)向5V 线路提供反馈、也不会通过稳压器向其输入端提供反馈。

SDS00004屏幕截图中的电压曲线是正在运行的驱动器向24V 电源轨馈入的结果。 从这个稳压器的角度来看、它来自外部。 由于该电机的运行速度快、运行时间短、因此预计会出现此类反冲-但这种反冲并不接近于临界值； 请注意刻度、信号在25.28V 范围内。屏幕截图显示了我们在电源轨的上升电压上触发的电机的制动和停止。 我承认，我们也错过了对整个运动的截屏。 (还有其他驱动器、但由于这些驱动器运行速度更慢、更平稳、因此我们无法检测到它们的任何反冲。)

另请注意、大多数故障发生在待机模式下、所有电机停止运转、没有发生任何其他情况。

此致、Tilmann

e2e.ti.com/.../PowerSupply.pdf

您好、Tilmann、

您的意思是、我不了解您的系统。  根据您的方框图、我同意 电机似乎不太可能反馈到太多、以至于它会覆盖 TVS 保护并对 LM3150板进行过压。

根据您的描述、高侧 FET 的故障听起来更像是过压故障、而不是过流故障。 您是否曾观察过 HS FET 栅极驱动器和 LS FET 栅极驱动器？  最好检查这些节点上是否没有过度的振铃。  我看到开关节点波形看起来很干净、但在一些罕见的情况下、栅极驱动器可能会振铃并导致问题。  

我也对此感到困惑。  我不记得以前听说过与此器件相关的此类故障。  

Perry

您好 Perry、

感谢您的回复。 在开发过程中、我们当然还检查了栅极驱动信号。 它们完全正常-正如预期的那样；什么会在这里造成任何伤害？ 这是遵循数据表和 webench 的电路和布局规则的直接实现方式...

由于我们显然无法接近故障原因、我们现在只观察这些电路板中是否有更多电路板会出现故障。 (对于维修、我们使用 CSD18537、只是为了确保我们处于安全状态... 我们还在输入端(C17上)添加了另一个 TVS 二极管。)

此致、TILmann