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[参考译文] LM5116:空载时的降压转换器输出电压问题和 MOSFET 故障

Guru**** 1818760 points
Other Parts Discussed in Thread: LM5116
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1296688/lm5116-buck-converter-output-voltage-issue-at-no-load-and-mosfet-failure

器件型号:LM5116

我设计了输出电流高达15A 的12V 降压转换器、问题是转换器高侧不在空载时切换、而高侧 MOSFET 在 从负载状态转换到空载时损坏。

观察结果1:

当我 在空载时为降压转换器上电时、输出电压 达到 11.8V、然后逐渐降低(输出电容放电)至3V、并保持3V 的电压。 在此状态下、即使连接100mA 负载、它也会提供12V 电压。 断开负载会使输出电压再次变为3V、并导致高侧 MOSFET 随机损坏。 (意味着不破坏性总是发生在3或4次尝试后。、在第一次尝试中的某个时间)。

观察结果2:

当我使用0.5A 负载将其开启时、可以正确地保持输出电压和开关节点看起来良好。 因此、我逐渐将负载增加到15A、并测试了开关节点。 看起来很正常。 问题是、当我逐渐减小负载、当它低于90mA 时、开关节点行为异常。 如果我将电流减小到0A (空载)、则高侧 MOSFET 会损坏。 (MOSFET 短路)。  

请帮我弄清楚这个问题。  

感谢您的支持。

注意:-使用了100nF 自举电容器。 为了进行测试、它已降至33nf、仍然没有变化。 输入电压为50V (设计的输入电压范围为31V 至60V)

      高侧 MOSFET- CSD19534Q5A

      低侧 MOSFET- CSD19531Q5AT

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    您好,Hariprakash

    您的设计中看起来存在问题。 请分享您的电路板图片和一些波形、

    另外、如果您需要、请分享原理图和布局以供我回顾。

    - EL  

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    您好、Eric、

    我在此附上了原理图和布局。 让我 一会儿发送一个波形。

    注:-

    我使用 webench 作为元件选择的参考设计。

    和 PDF 中的各种布局、

    第1页-前覆铜

    第2页-内部1

    第3页-内部2页

    第4页-底部覆铜

                      

    在这里、转换器在无负载时通电。 Vout 达到12v、然后稳定在3V。

    空载下的开关节点与 Vout 间的关系

     \

    空载时开关节点与 Vout 之间的放大图。

    上面的2个图是1A 负载下的开关节点与 Vout。 它在这个响应后持续提供12v。

    1A 负载时的开关节点与 Vout 间的关系放大到焦点开关节点

    MOSFET 发生故障、那么输入电压将进入 输出(50V)。  

    在上述过程中、MOSFET 出现三次故障。 Q2 MOSFET 始终会损坏。

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    您好,Hariprakash

    请参考我的以下评论并逐一试用。 当漏极和源极之间出现1号过高的电压尖峰时、可能会导致 MOSFET 损坏。 2号门和电源3之间的电压过高,组件温度过高。 请逐个检查1、2、3项

    • 组装 C5
    • 增加 C7、尝试330nF
    • 提高 C12、尝试470nF
    • 在 D6处使用额定电压较高的二极管
    • 每个 MOSFET 使用一个栅极电阻器
    • 测量 MOSFET 漏极和源极连接处的开关尖峰并填充 RC 缓冲器

    • 在顶层使用专用的 AGND 覆铜
    • 填充高侧 MOSFET 的漏极和感测电阻的接地连接之间的陶瓷电容器
    • 使开关环路尽可能小、

    - EL  

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    您好、Eric、

    谢谢您的建议。 我将尝试建议的更改并进行更新。 您能否分享导致转换器在空载条件下停止开关的可能原因、以及您是否知道它提供3V 输出而不是0V 的原因。 这对我来说将是一个巨大的帮助。

    再次感谢

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    您好,Hariprakash

    如果在没有开关时 VOUT = 3V、这意味着在 VOUT 充电时存在漏电流。  

    泄漏电流 可能来自您的测试设置/PCB 或 SW 节点。  

    SW 节点充电可能因 IC 损坏(HB-SW 击穿)或从 HB 到 SW 的泄漏电流而发生。   

    - EL  

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    您好 Eric。

    问题1: 我懂了。  您能否分享导致转换器在空载条件下停止开关的可能原因。 这对我来说是全新的。

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    今天、我做了几次测试、建议的更改如下。

    在进行任何修改之前、我决定采集波形、

    VOUT 与 SW 节点:

    1.在空载情况下,响应与先前讨论的相同。

    2.在 1A 负载下捕获了该响应,第三次尝试时 Q2损坏。

    替换 Q2后、我开始增加 C5 (CSS)、

    上图中1A 负载下的板载 C5 33nf+100nF 响应

    上图中 负载为1A 时的板载 C5 33nf+100nF+100nF 响应

    上图中 负载为1A 时的板载 C5 33nf+100nF+100nF+100nF 响应

    上图中  无 负载情况下的板载 C5 33nf+100nF 响应

    上图中 无负载的板载 C5 33nf+100nF+100nF 响应

     上图中 无负载的板载 C5 33nf+100nF+100nF+100nF 响应

     上图中 负载为1A 时的板载 C5 33nf+100nF+100nF+100nF 响应、当通电后 、负载关闭并再次开启。 在上图中、是1a 负载的开始和结束。 中间部分无负载响应。

    作为下一项更改、我开始了增加 C12 (自举电容器)。 我将电容器替换为 33nf、以进行之前的测试。 因此、再次将其替换为100nF。

    然后、根据上图、我在空载条件下得到了适当的 V OUT。 因此、为了再次确保 、我将 C5替换为33nf 仍然可以提供适当的响应。

    我在下图中添加了空载和1A 负载响应。

    无负载开关放大图

    1A 负载开关放大图。

     确定当我 遇到这个问题时、C5和 C7的先前值是33nf 和100nF。 但现在在相同的值下、响应仍然良好。 我进行了一个半小时的测试、在空载 和 1A 负载之间切换、仍然能够在不损坏 MOSFET 的情况下保持适当的 Vout。 我不知道 这个问题是如何解决的。

    问题1: 如果您对此问题有任何理解、请分享。

    问题2. 我还需要 从保护角度提出一点建议。 只要 Q2发生故障、Vin (48V)就会开启 Vout。  是否有任何其他方法可以防止负载发生这种情况、而无需使用 OVP IC 和 MOSFET 进行 OVP。  

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    您好,Hariprakash

    C5不是 CSS、它是 I 的 shcamatic 中的 UVLO 电容器。  

    回答1。 则可能会发生这种情况。 通常、此问题是由您的测试设置以及通过测试设置注入的噪声引起的。  

    答2。  您必须在降压功率级前使用保险丝等保护器件。 正常情况下、当高侧 MOSFET 损坏时、高侧 MOSFET 无法断开。  

    - EL  

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    您好、Eric、

    感谢您的回复。 很抱歉、是我的错。 我没有触摸 C5。 它是 C7。 我只使用 CSS 和 Cboot 电容器。 我将继续执行一些额外的测试、并对测试设置进行交叉验证。

    涉及 A2。 我已经在输入侧添加了保险丝选项、但问题仍然是、当 Q2由于 Vout 侧的 Vin 而发生故障时、输入电流不会增加、因此我想保险丝在这种情况下不会有所帮助。

    Q1.据我所知、独立 OVP 是唯一的解决方案。 如果有任何其他方法或解决方案、请告诉我。

    注意:-我之前在不同的设计(使用相同的 LM5116)中遇到过很少的 MOSFET 故障事件在高侧 MOSFET 发生故障后、低侧 MOSFET 将尝试切换、并形成短路使保险丝熔断。 但在这里不会发生。

    Q2.有任何注意事项的建议。

    问题3: 请分享、您是否能想到一些 可能导致转换器仅在空载条件下停止开关的原因、如下图所示。

    在上图中、是1A 负载下的开始和结束响应。 中间部分无负载响应。 因此、转换器通过负载上电、然后在中间断开负载、然后 在最后再次加载。

    我将测试并更新更多的回答。

    再次感谢您的答复。 这是一个巨大的帮助。

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    您好,Hariprakash

    解答3。 请像这样连接8V 电池、并检查是否有任何改进。  

    - EL

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    您好、Eric、

    我将尝试更新。

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    您好,Hariprakash

    请在测试结果 准备就绪后发布测试结果。

    - EL

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    您好、Eric、

    该问题没有在相同的输入电压下再次出现。

    所以我进行了进一步的测试。 当输入电压低于33V 时、在空载条件下同样会出现问题。

    我移除了 UVLO 电阻器 R4、R5、R6以检查。  (结果:V OUT 响应无变化)

    上图显示了当 Vin=32V 时空载时的 V OUT 响应。

    图像响应、如下所示、

    在同样的情况下、我在 Cboot 上添加了8V 电压、正如您建议使用单独的电源。 当 C BOOT 由外部供电时(在上图的末尾部分中捕获)、V OUT 不会振荡。

    我想这个问题与 C BOOT 充电有关。 我做了以下几点、

    1.将 C BOOT 增加到200nf (结果:- V OUT 响应无变化)

    2.我用更高的额定值 RF302LAM2STR 更改了 D BOOT。  (结果:-输出电压响应无变化)

    捕获的 C BOOT 响应以及上述更改1&2、

    上图是空载时的 CBoot 电压(Vin-43V)

    上图是空载放大的 CBoot 电压(Vin-43V)

    上图是施加外部8V 电源(Vin-43V)时空载的 Cboot 电压

    上图是 0.5A 负载 (Vin-43V)下的 CBoot 电压

    上图是1.5A 负载下的 CBoot 电压 (Vin-43V)

    上图是2.5A 负载 (Vin-43V)下的 C Boot 电压

    最后、当 Vin 达到32V 左右的触发电压时、以下是 C 引导电压响应。 电压突然下降。

    上图是2s 时间范围内的 C BOOT 电压(初始值 和最终值的 Vin 高于32V。 中间为30V)

    注意:我没有 差分探头来 同时测量 V OUT。

    我希望我 不会发送很多图像。  感谢您的答复 Eric。

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    您好,Hariprakash

    我认为您必须更多地关注"B"领域  

    - EL

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    Eric、您好!

    让我检查一下。

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    您好,Hariprakash

    请为我捕获引导引脚、SW、SS。  

    - EL

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    我正在关闭这个话题、因为我有一段时间没有听到您的声音。
    如果您仍在尝试解决此问题、请随时打开新主题。 谢谢
    - EL

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    您好、Eric、

    更换新的高侧 MOSFET 、低侧 MOSFET 和 LM5116 IC 后、我无法重现此问题。 问题由其中一个更换的组件引起。  我 将按照原理图遵循的所有其他内容。   

    因此,感谢您的支持,如果有任何问题再次出现,我将 发布它。

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    感谢您选择 TI。 如果您有任何问题、请随时与我们联系。
    - EL