[参考译文] TPS61022：量产版本中出现芯片故障

 Andrew、您好！

感谢您提供非常详细的信息。

您是否尝试过其他器件？  

抱歉、我对此有点困惑、您的意思是"在非常高的电流下通过 TPS61022的短路"？  

如您所说  、产生的热量过多、芯片可能会触发热关断。

谢谢。

此致、

内森

芯片是吐司、输出与接地之间存在短路、考虑到产生的热量、可能存在输入与接地之间的短路。 这足以拆焊板上的连接器。

当输入电压为低/高电平时、有/没有相位补偿时、芯片是否在高输出时不稳定、也就是应该根据输入电压接通相位补偿？

如果芯片无法在其输入范围内运行可靠性、这对产品来说是非常重要的。

Andrew、您好！  

如果您担心稳定性问题、可以使用 TI.com 中的计算工具来检查稳定性。 我认为没有必要切换补偿。

此致、

内森

我已经尝试过此工具、它不允许我更改前馈电容器。

我不确定这是不是问题所在、或者芯片是否众所周知的不可靠。 我在开发期间有很多很短的时间、没有明显的原因。 现在它已经投入生产、我因为它为超级电容器的使用提供了非常好的规格而面临风险、我觉得自己处于一种状况或担忧。 它还用于另一个即将推出的产品中。 该产品价格昂贵且不可修复、5%的故障率是不可接受的。

Andrew、您好！

关于计算工具、您可以通过更改"前馈电容器引起零频率"项来更改前馈电容。

您的最大输出电流是多少？ 我认为330p 前馈电容器对于大多数应用条件而言是较大的。 您是否曾尝试取下此电容器或尝试使用较小的电容器？

当存在大负载电流时、超级电容器电压是否可能降低至低于 TPS61022的 UVLO 的电压？ (0.5V)

此致、

内森

尊敬的 Nathan：

实际上、这些值可能来自您自己、因为我在低电流时发生了电压过冲。

最大输出为8A、即谷值电流限值。

Andrew、您好！  

抱歉、TPS61022不支持8A 输出电流。

谷值电流限制意味着电感器电流、它大致等于输入电流、而不是输出电流。 (对于升压、输入电流大于输出电流)

大电流时、输出电压将低得多。

此致、

内森

尊敬的 Nathan：

我不确定直通模式下的电流限值是多少、但从理论上讲、这是在发生近乎短路的情况下可能达到的限值。 基本上、我需要知道这款芯片在其规格- 0.5V-5.25V 输出和0-8A 输入范围内工作时是否存在稳定性问题。

似乎我校正了低电流的相位、只是为了在高电流时引起不稳定、尽管这是一种猜测。 不明白芯片为什么这么不可靠。

安德鲁

Andrew、您好！  

在大负载电流的情况下、FB 引脚上会有很多噪声、您可以添加一个带前馈电容器(原理图中的 R2)的50欧姆串联电阻器来过滤噪声。

此致、

内森

您好！

通常、当 FB 有噪声时、电阻比会降低、但我可以这样做。 由于我必须手动修改1000块 PCB、这样做是否有缺点、是否有不利影响等等？ 我在德州文档中未找到任何关于需要滤除噪声反馈的内容。

Andrew、您好！

这样做没有缺点、您可以使用计算工具检查稳定性、如果相位裕度和增益裕度足够、则没问题。

在您更改1000个 PCB 的电阻器之前(这可能需要付出很大的努力...)、您可以首先只选择一个板来检查 SW 节点电压、然后查看 SW 尖峰是否非常高、这可以帮助您验证它是否是由我上面所述的原因引起的。 然后将电阻器更换为50欧姆、以检查尖峰是否低得多。

您可以将此应用手册作为 SW 节点电压适当测量技术的参考。

https://www.ti.com/lit/an/slva494a/slva494a.pdf?ts = 1678789364557&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsitesearch%252Fen-us%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FlangPref%253Den-US%2526searchTerm%253Dunderstand%2BSW%2526nr%253D14165

更进一步、对于这些较短的器件、您是否检查了它们是否损坏？ 谢谢。

此致、

内森

很抱歉只是意识到您说的、我已经有1k 个串联？

Andrew、您好！  

1k 过大、截止频率太低、无法滤除噪声(通常为数百 MHz)。 可以尝试使用50欧姆。

内森

我可以尝试"是"。 我正在等待客户查看第二台设备是否有其他故障。  

我需要说明的是、330pF + 1k 由 TI 本人提供。 我觉得有些麻烦、因为 TI 本来可以在高/低电压电平条件下、在电流范围内测试芯片、推导出确保芯片不会自毁所需的参数。 我觉得、通过添加330pF + 1k 来校正极低电流下的过冲、我在欠流时引入了不稳定性。 50欧姆、则可能会重新引入过冲。

不幸的是、 我的产品与客户在一起、并且被丢弃、因此我只需要忍受退货/更换。 我将在下周补充50欧姆。

Andrew、您好！

产品说明书中的规格已得到保证、而且该器件也是如此。 该设备以前从未遇到过其他客户的质量问题。

您可以尝试更改前馈电容器的值或为过冲问题添加更大的输出电容器。

至于负载电流、您说您需要支持0.5~5.25V 至5V/0-8A。 升压模式下的最大电流是多少？ 它仍然是8A 吗？ 如果 TPS61022在升压模式下工作、例如1V 至5V/8A、则输出电压无法n‘t 达到5V、由于存在谷值电流限制、该电压将非常低。

此致、

内森

电流、编号 有标称电流、最坏的情况是短路。 该芯片最多可为2个 USB 器件供电。 每个电感器在理论上均可拉取1.5A 电流。

这些超级电容器很大、具有120F 的容量、在充电时可以可靠地灌入几十安的电流。

仅供参考、输出为4x22uF X5R 0805和1x220n X5R 0603 50V 上游(并接近)。

仅供参考、输入为8x22uF X5R 0805、超级电容器的 ESR 为约50m Ω。

标称电流：

如果超级电容器接近充满电、高于5.15V、这意味着 TPS61022已经处于直通模式、则会启用第二个 USB 端口并持续直至超级电容器降至5V。 因此>1.5A 仅在直通模式下。

由于输入电压低于5V (在 TPS61022开始开关之前可能为4.9V)、升压转换器仅可为一个端口提供高达1.5A 的电流。 由于输入电压下降、输出电压可能无法实现。 在输出电压下降时、USB 器件会自然消耗较少的电流、或者单独的 UVLO 会监控以达到4.5V、然后关闭 USB。  

因此、当输入电压降至0.5V 时、TPS61022尽可能努力保持至少4.5V 的电压。  

0.5V @ 7A = 3.5V @ 0.5A。 当然、这在现实中不会这么多、但随着电压下降、我希望电流输出很低、可能为4.5V/0.1A。 它不需要得到保证。

边沿电流：

如果 USB 将自己呈现为 USB 规范的半短路输出、它可以在任何可能的输入电压下获得尽可能多的电流。 唯一的限制是 TPS61022或直到 UVLO 触发。 由于 TPS61022具有谷值电流跳闸和真正的断开功能、我认为它可以在这种情况下保护自己。

我有99.99%的把握住发生故障的客户不会出现这种情况。

摘要：

我需要器件在其工作规格范围内保持稳定、因为我使用的是整个输入电压范围、可能还会使用整个输入电流范围。

可以添加更多的输出电容。 不过、我认为这会在相位问题变得太高时引入另一个问题。

Andrew、您好！  

那么、当输入电压为0.5V 时、可能的最大电流是多少？ 我希望确保 TPS61022能够满足当前客户需求。

关于 TPS61022的短路保护、当输出短路时、TPS61022会将输出电流限制 为近似700 mA、一旦释放短路、TPS61022就会再次通过软启动、使其达到稳定的输出电压 (如果负载电流不超过最大驱动电流容量)。

此外、关于布局、我发现输出电容下方有一些电路和元件(可能在内层或底层)。  这些高频信号吗？ 由于 TPS61022对输出环路(SW-TPS61022-COUT-GND VOUT 环路)非常敏感、因此该环路的面积过大或噪声过大可能导致不稳定、甚至损坏器件。

谢谢。  

此致、

内森

电流由 USB 器件决定、因此具有易失性。 在最大电压为0.5V 时、USB 器件将尝试消耗尽可能多的电流、同时将输出电压袋设置为4.5V。 如前所述、如果它达到4.4V (超出 USB 规格)、UVLO 将触发并关闭 USB。

中间有两个接地平面、其中一条线是160KHz PWM、但它距离芯片足够远、我看不到它产生影响。  



到目前为止、客户使用的是第二个器件并且它可以承受、因此故障可能是不可靠的芯片。 他有一个大型测试从今天开始4天,所以我会报告后,然后一种或另一种方式。
 

Andrew、您好！

好的、如果客户有任何更新、请告诉我们。 谢谢。

此致、

内森

您好！

我可以确认它再次失败了。

根据前面所述的电压/电流要求、您认为330pf + 50 Ω 是合适的吗？

此致、

安德鲁

我还想指出的是、这是一个4层 PCB、并且中间有两个接地平面。 除非我漏掉了一些东西、否则我会怀疑这是噪声。

准备开始进行测试。 我能否确认我要寻找最坏的情况、比如低输入电压和高输出电流、然后寻找 SW 电压尖峰。

"您只能选择一个板来首先检查 SW 节点电压、然后查看 SW 尖峰是否非常高、这可以帮助您验证是否是由我上述原因造成的。  "

尊敬的 Nathan：

我正在找一个地方。 当输入电压降至1.86V 而输出为673mA 时、输出电压增加至5.25V、这是与电缆压降有关的、因此我认为芯片输出电压大约为5.5V。 不幸的是、我没有在触发 UVLO 时成功捕捉到软件、这意味着纹波必须很大、4.5V UVLO 和5.25V 平均电压必须意味着峰值从芯片的5.6V 限制器反弹。 现在我知道了问题！

它还烧毁了部分电路、我现在将修复这些电路、并尝试以比673mA 输出更低的速度捕获 SW。


 

我修复了板并再次尝试。 我将电流设置在500mA 输出端并观察到输入下降、大约1.2V 时、输出电压很快变为高电平、过快而无法测量 SW、来自超级电容器的输入电压很快降至0.5V、并且芯片关断。

这可能就足够了。 我等待您的建议。

我现已达到110pf + 1k、并具有良好的低于1V 的500mA 输出、这令人印象深刻。 最好的是、随着电压进一步下降、电路可以承受、因此不会出现过冲。

Andrew、您好！

感谢更新。

这里有几个回复、所以我来总结一下。  

您会发现这个问题是由高输出电压纹波引起的、但您没有得到波形、因为它非常快(330pF + 1k)。

2.您尝试使用110pF+1k、现在找不到问题。

根据您的描述、它可能是由不稳定引起的。 我通过计算工具检查稳定性、发现 当 Vin=1.8V 且 Iout=0.6A 时、330pF + 1k 的相位裕度和增益裕度不足。

即使是100p+1k、仍然存在一些风险。

因此、您需要降低 Cff 的值、例如、使用50pF

您提到了" 我通过添加330pF + 1k 来校正极低电流下的过冲"、这是什么意思？ 您是否意味着在非常低的电流下 Vout 会更高？ 谢谢。

此致、

内森

尊敬的 Nathan：

我设法在大约1.2V 时获得1A 的输出电流、我认为这接近最大值。 54pF 是否仍然适用？

最初的330pF + 1k 是您不久前在另一线程中提出的、因为如果没有它、当电流非常小时、输出电压最高可达5.6v (应为5.0V)。 330pF + 1k 为5.15V。 110pF + 1k 则为5.10v。  

此致、

安德鲁

据我了解、如果输入电压对相位没有影响、电流有一些影响但影响不大、那么具有较低的零点频率有什么好处？ 即、如果54pF 涵盖所有场景并加以实现、为什么不只使用它呢？

11pF 更适合1.2V 至5V/1A。 但是、您最好使用 TI.com 中的计算工具检查其他条件(其他电流、电压)下的稳定性。

关于您的问题、输入电压和负载电流确实对相位有影响。  通常、 零点频率取决于特定的工作条件、很难说越小越好、越大越好。 该 Cff 值的决定取决于所需的稳定性和瞬态性能。

此致、

内森

我目前不明白为什么用户要 以 2KHz 为目标、而不是以20kHz 为目标、反之亦然。 不管怎样、1.2V/1A 上的11pF 显然是不稳定的...

关于输出电容器、您需要使用有效值而不是标称值。 我发现您使用4x22uF 电容器、在5V 直流偏置时、有效值通常约为~20uF。 但您可以仔细查看电容器数据表。

我确实降额、但没有降低50%。  我可以看到你是正确的,然而,我需要更多的降额。

因此、理想情况下我需要增加输出电容、使其对相位的影响不大、然后选择相电容器作为输入/输出电压/电流范围。 如果没有很大的输出电容、我将无法在整个范围内获得稳定的相位。 听起来是否正确？

实际上没有、如果我将输出电容增加到470uF 之类的高电容、则永远不会稳定。

可以、在 工具中11-12pF + 1k 看起来覆盖了所有的电压/电流范围。 我想、零点频率越大、瞬态响应就越差、不过对于此应用而言、这很好。 我将建立一个并进行测试。

另一个观察结果。 借助12pF 和1k 以及2A 的负载、我观察超级电容器的输入电压下降。 我可以通过散热看到芯片的温度上升。 输入电压大约为1.35V 时、芯片上会触发过热。 不会造成损坏。 我并不期望在1.35V 电压下通常产生2A 电流(峰值应该是1.5A)、但确实是为了看看如果用户连接了奇数/故障的 USB 设备、芯片是否能够承受。

在极低电流下的电压过冲为5.11V、这是正常的。  

在~4V 的更高输入电压和5V/2A 输出下、问题不会出现、而且芯片在散热工具上表现出的热量很少。

因此、我的眼睛看到12pF 在所有电流/电压电平下都是稳定的。

Andrew、您好！

感谢您的更新。

很高兴看到您的系统目前可以正常工作。 如果您在 E2E 有任何疑问、敬请稍后与我们联系。 谢谢。

此致、

内森

Ni Nathan、

我有几个跟进,如果我可以,但是的,我主要是排序的。

1.数据表(第15页)建议在输出电容小于40uF 的情况下采取缓解措施。 考虑到我将在即将发布的下一款产品中使用宽电压/电流范围、因此我有空间包含更大的聚合物。 40uF 电容不表示它是否降额、但我假设它没有降额。 是否有相关想法、例如47uF/100uF 聚合物？

2.今天早上我已经在不同电流下测试了芯片因为输入电压12pF+1k 下降 对于5V/0.5A 输出和大约1V 输入、UVLO 可以捕捉输出骤降并关闭负载。 在大约1.5V 的输入、750mA 输出时、速度不够快、我得到了 CPU 复位、这意味着输出电压已降至2V 以下。 有趣的是芯片温度不是很高、因此我认为 TPS61022过热不会进来。

然后、我移除了12pF 电容、因此没有反馈、重复测试。 芯片降至1V/UVLO、且正确触发了750mA、即响应得到了改善。 这关系到(1)、因此没有反馈并改用大量的输出电容可能会更好。 我无法在电子表格工具中确定 B42是降额电容还是 B41正在尝试计算它。

3、很多 TI 升压芯片都内置了最小的内部相位校正、我看到12pF + 100k 比较常见。 TPS61022是否有、如果有、是否计入电子表格工具？  

我问(3)的原因有两倍；首先、当我最初几年前确定330pF+1k 与自己(我想是这样)时、这是为了处理电压在非常低的电流下过冲的问题。 现在、我移除了330pF、发现过冲条件不存在、因此当时情况似乎已下降至其他情况(或许是因为我优化了远离芯片的具有噪声的 PWM 布线)。 其次、我需要修改1000个 PCB、将330pF 0402从 PCB "混合"然后再回流到12pF。 不过、电子表格工具没有计算任何相位补偿、因此我只能在工作台上对其进行测试、我刚才在(2)中进行了测试、结果似乎得到了改进。

如果我运行100KHz + 100k Ω、则电子表格工具报告说在1-5V 输入、2A 输出、22uF 有效时始终保持稳定。





此致、

安德鲁

Andrew、您好！

1.您是指这个部分吗？  50uF 是有效值。

如果您想使用更大的电容器、最好首先检查稳定性(相位裕度、增益裕度)、如果稳定性正常、没问题。

如果您想使用聚合物电容器、请添加另一个小型陶瓷电容器、如1uF 或10uF、并将该陶瓷电容器放置在尽可能靠近 VOUT 引脚的位置、因为聚合物电容器通常具有较大的寄生电感、这会导致 SW 电压尖峰。 使用聚合物的越多、由于 ESR 越大、就越能减少较大的输出电压纹波。

2. B42是额定电容值、因此需要输入额定值后的电容值、例如22uF (取决于所用电容的规格)。 非76uF (76uF 不是额定电容值)

您是否在1V 至5V/0.5A 和1.5V 至5V/0.75A 中具有12pF/1k 的波形？ 您是否仍保持4x22uF 的输出？ 根据该工具、它应该是稳定的。

我们确实有内部补偿网络、但这不同于前馈电容器、在某些情况下、内部补偿网络是不够的、因此需要添加前馈电容器。  

而且更多、我发现100kHz + 100k Ω 无法在1V 至5V/0.5A 条件下正常工作。

此致、

内森

尊敬的 Nathan：

是的、我保持在4x22uF。  

随着输入电压下降...

在1V 至5V/0.5A 条件下可实现12pF/1k =输出电压的快速滚降、UVLO 无法捕捉到该电压并且 CPU 复位。 可能会触发过热、但在热工具上不会显示过热。 与100pF 的加热器没有什么不同。

  1V 至5V/0.5A 模式下的0pF/uC =输出电压缓慢下降、UVLO 功能。 看起来更好。 是的、工具指示不稳定。  

此处是   1V 至5V/0.5A 中用于0pF/uC 的软件(稳定！)

Andrew、您好！

您可以将示波器触发方法设置 为正常而不是自动、然后将触发器斩波设置为"下降沿"、并设置合适的触发电平、如4.6V。 通过这种方法、您可以捕获 VOUT 下降时的波形。

如果您的 示波器 不支持此功能、您可以尝试设置一个较大的时间刻度、如~ms/div、以捕获波形。

如果您还能提供 VIN 和 VOUT 波形、将会很有帮助。

此外、您是否检查了输入电源的电流限制？ 可能它在电压仅为1V 时无法输出大电流、因此 VIN 下降、然后 VOUT 也下降。 (对于1V 至5V/0.5A、这意味着电源需要输出至少2.5A；考虑到效率、电流应更大)

此致、

内森   

事实是、在没有任何相位补偿的情况下、它看起来稳定、并且输入电压下降时不会出现骤降、因此非常完美。 如果您认为有用、我仍然可以尝试总结这些要点。 否则我倾向于直接移除330pF。 电子表格显示它应该是不稳定的(1V 输入、0.5A 输出)、但上一帖子中的软件与之不符。

输入为120F 超级电容器、ESR 约为100m Ω。 在1V (理论上为10A)电压下可以正常提供多种放大器。

此致、

安德鲁

Andrew、您好！

我认为这可能是因为 PCB 布局产生的寄生电容。 都要符合您的测试结果。

此致、

内森

稳定性 A -正常。

但是、我有一些关于电流限制的想法。 当输入电压较低且输出电流达到限值时、输出电压会立即硬下降。 当输入电压较高时、压降不是很突然、由 CPU 处理。  这是我将来需要考虑的事情、以防止 CPU 复位。

 

Andrew、您好！

当 TPS61022触发电流限制时、输出电压将始终下降。

如果您只需要在短时间内处于低输入电压下工作、添加大输出电容器(聚合物)  会很有用。 也可以尝试减小电感器的值、因为电感器越小、电流纹波就越大、因此直流输入电流较大、具有相同的谷值电流限制。 但减少电感器会影响稳定性和效率、这是一种折衷方案。

此致、

内森

尊敬的 Nathan：

上周我看了看它、当时我也想只添加一个聚合物、但当我运行 xls 时、我发现随着电容的增加、稳定性区域会下降。 因此、我认为对更高的 ESR 使用标准 ALU、根据我之前的理解、该标准 ALU 对反馈环路的影响较小。 由于 CPU 的压降、我无法使用二极管、但 CPU 具有低电流、并且可以使用带电容器的低电阻器。

Andrew、您好！

正如我说过的、如果  TPS61022触发电流限制、则输出电压将始终下降。 那么、您需要什么呢？ 是否要在触发电流限制时使 Vout 不下降？ 如果输入电压只在短时间内变为低电平,则增加更大的电容可能有所帮助,因为在相同的 di*dt 下,电容越大,电压降就越小(C*du=di*dt)。 但这对稳定性有影响、如您所说 、如果电容太大、例如、低输入电压持续10us、负载电流为2A、最大压降为0.5V、则需要 C=di*dt/du=40uF、这是一个简单但有点粗略的估算。 但是、如果输入电压长时间变低、您需要添加一个非常大的电容器来实现这一点、这也会对稳定性产生影响、如您所说。

如果您不希望 Vout 随时下降、那么您需要注意不要触发电流限制、例如、如果您的系统可以接受、您可以在输入电压较低时降低负载电流。

如果您的系统无法接受此条件、例如、系统需要支持1V 至5V/2A、则恐怕 TPS61022无法支持、因为这种电流限制是不够的。 那么、关于输入电压范围和负载电流范围、您有何系统要求？  

此致、

内森

尊敬的 Nathan：

昨天测试的结果表明、440uF 是防止 CPU 复位的最小值、因此当输出为1A 时、压降将低于5到1.7V。 如果我无法在440uF 时获得稳定性、我将在它之间插入一些电阻以减慢 CPU 的放电速度。


此致、Andrew

Andrew、您好！  

抱歉、有点困惑、您希望在哪里插入电阻？

使用我具有稳定性的工具、前馈470uF 和220pF、CPU 可以做到这一点。 否则、可使用上述方法。