TPS54339故障案例分析

摘要

TPS54339是TI于2013年推出的基于D-CAP控制模式、輸入電壓4.5V-23V, 3A 的同步整流的BUCK Converter, 廣泛應用于低壓系統中。本文主要介紹一則故障案例，通過本案例的分析，給出D-CAP控制方式下FCCM模式器件，當備用電源電壓高于BUCK預設輸出電壓時，存在的風險，實驗測試結果，以及規避該風險的方法。

背景介紹

客戶使用FCCM模式的TPS54339DDAR器件，用于12V轉5V，同時有備用電源的需求，備用電源經由開關電路S1連接到BUCK的輸出母線上。當檢測到TPS54339輸入電壓低于10V時，開關電路S1閉合，系統由備用電池供電。

圖1： 系統框架圖

備注：

BUCK 設置的輸出電壓稱為V_target

BUCK端實際的輸出電壓稱為V_out;

備份電池電壓稱之為V_backup;

故障描述

由TPS54339手冊得知，在下降沿，只有EN電壓低于0.6V才會關閉，UVLO低于3.45V，芯片才會停止工作。在打開備用電源時，芯片的EN和UVLO都處于使能狀態，所以芯片處于正常工作狀態。且備用電池額定電壓5.4V, 電池電壓最高可以充到5.6V，經過開關電路S1之后，到達BUCK母線上的電壓可能高達5.3V。這樣就導致V_out > V_target且TPS54339處于使能狀態。在D-CAP的FCCM模式下，這樣會導致輸入側電壓升高，從而導致芯片輸入側過壓擊穿短路。故障表現為TPS54339的1/2/3/6引腳對地短路。

圖2：TPS54339 block diagram

根因分析

假設VIN能建立一個穩定的電壓，那么整個BUCK變換器處于穩定工作，則必須滿足伏秒平衡以及電感電流平衡。

由于V_out > V_target，BUCK的下管會持續開通，直到觸發芯片的NOC(負向電流)保護。所以 

由于穩定工作，所以結合上式可以得出以下等式：

由法拉第電磁感應定律可知，工作狀態下，將會是很小的一個值，所以VIN端會存在高壓的風險。

實驗結果

以TPS54339EVM-056為測試板，僅將R1電阻由8.25KΩ修改為120KΩ。給輸出端加一定電壓，測試輸入端電壓。12V輸入時，額定空載輸出電壓為5.25V。

輸入輸出端空載實驗

將輸出電壓調整5.26V-5.32V，可以看到，輸入端的電壓高達33V，已經超過了TPS54339 VIN引腳最大耐壓25V，可能會對器件造成永久性損壞。

表1：BUCK輸入輸出端空載測試結果

圖3：V_backup電壓為5.32V時，TPS54339不同引腳波形

輸入端空載實驗，輸出0-3A帶載實驗

測試結果同輸入輸出端空載一致。實際做實驗時，需要注意線損電壓，因為0.01V的壓降，都會對輸入端的電壓值影響很大。

輸入端30mA帶載實驗，輸出空載實驗

考慮到在實際系統中，TPS54339的輸入端可能同樣會有負載。這里以TPS54339輸入端有30mA負載為例。測試結果如下：

表2：BUCK輸入端30mA負載，輸出端空載測試結果

結論

D_CAP控制模式的FCCM器件，當用于需要備用電源的系統時，應注意備用電源的電壓不能比BUCK預設的電壓高，否則可能會出現輸入側出現高壓的場景。

對于備用電源電壓高于BUCK預設電壓的系統，建議選擇輕載調頻模式的器件，比如TPS54339EDDAR或者控制EN腳，使輸入掉電時，快速關斷EN，從而讓芯片停止工作。如果不是很關注系統效率也可以在BUCK輸出后再串聯一個二極管，這樣防止電流倒灌。

參考文獻 

Texas Instruments, Analysis and Risk Assessment of Adaptive On-time Control Device in Bias Standby Operation, application note.

Texas Instruments, 4.5 V to 23 V Input, 3-A Synchronous Step-Down SWIFT Converter, data sheet.

Texas Instruments, TPS54339 Step-Down Converter Evaluation Module User's Guide, EVM user’s guide.