如何排查DC-DC降壓轉換器出故障的具體原因

在電子系統中電流通過直流或者交流的轉換，調節成低壓電源軌，供系統中的用電負載使用。而在這個過程中，少不了DC-DC降壓轉換器的身影，它們輸入電壓范圍較寬、效率高、封裝小巧，有利于滿足嚴格能效法規的需求，把關低壓直流電源軌轉換的最后一環。

因此DC-DC降壓轉換器出現問題將直接導致無法使用等情況。但造成DC-DC降壓轉換器故障的原因很多，如開關模式、低壓、DC-DC、單相、非隔離、基本降壓轉換器電路等，那如何排查故障呢？金譽半導體和大家詳解一下在設計 DC-DC 降壓轉換器時可能遇到的九個常見問題以及一些可能的原因。

問題 #1：紋波太多

如果您看到太多紋波，電感值可能太低——較高的值會產生較低的紋波，但瞬態響應較慢。

此外，請記住大電感紋波電流意味著更高的峰值電流和更大的電感飽和可能性，尤其是在高溫下——以及對FET的更大壓力。

其他問題可能是C out太低，沒有足夠的存儲空間來支撐輸出；或C out ESR（等效串聯電阻）太高，導致C out中的 IR 壓降。

最后，低開關頻率會導致更多紋波。

問題 #2：無法啟動

首先，問自己這個問題：“啟用”引腳是否正確驅動（或上拉）？電源良好輸出也一樣。

啟動失敗可能是因為您看到過大的負載電容（如FPGA）就像短路一樣并觸發了電流限制。一些芯片具有消隱和軟啟動功能來解決這個問題。

將電流限制點設置得盡可能高以避免誤報，并與FPGA工程師協商以優化系統級別的電容。

最后，確保V in沒有下垂，并且UV鎖定沒有因輸入壓降而激活。

問題 #3：效率低下

自舉電容器需要足夠大，以便為高側FET柵極提供電荷——否則，該 FET 可能無法完全導通，然后會燒毀電源。與升壓引腳串聯的電阻可用于調整開啟以控制振鈴。

測量電源電路效率（尤其是90%以上）并非易事，因為它需要電流測量并且是兩個功率量的比率。希望您已經通過電子表格工具描述了每個組件對損耗的貢獻，該工具通常會告訴您MOSFET和電感器電阻（“DCR”或直流電阻）是浪費熱量的主要來源。

顯示降壓開關穩壓器的效率與頻率的關系圖。繪圖取自 Linear Tech/Analog Devices 的LT8610 數據表。

問題 #4：關閉時輸出端存在電壓

如果您的電路確實關閉但您看到輸出端有電壓，則它通常來自另一個電源電路。檢查到其他活動軌道的非明顯路徑。

問題#5：不穩定

C out ESR 可能是不穩定的原因，因為它在環路響應中引入了零，這使得增益曲線停止下降并開始橫向移動，侵蝕或消除增益裕度。如果零頻率足夠低，則在相位達到 180° 之前增益不會超過零。

較便宜的轉換器芯片可能會進行內部補償以節省外部零件，但請確保您的C輸出滿足它們穩定的最小和最大C輸出ESR 范圍。

對不穩定性的其他解釋可能包括不良電壓檢測或求和節點布局或噪聲。

請務必使用設計軟件生成波德圖并檢查相位和增益裕度，包括過溫情況。

問題#6：監管不當

對于遠程V out感測，電源路徑歐姆壓降可能會導致調節不良，這可能是由于電源軌（單電源轉換器輸出線）分配給電路板上的太多負載。這就是為什么有時會避免使用多軌轉換器 IC（“PMIC”）以支持負載旁邊的多個轉換器。

如果您的電壓檢測引腳有噪聲，請保持該引腳的布局整潔，并確保與檢測信號相關的任何電阻器都放置在控制器附近。

另一種解釋是你的參考電壓可能在過濾不足時不穩定。

問題 #7：瞬態響應緩慢

這里的罪魁禍首是可能有太多的大容量輸出電容或太大的電感器。

另一個問題可能是環路補償不良。如果沒有合適的設備，環路特性很難完全表征。但是，即使您沒有網絡分析儀，也可以使用階躍負載并觀察瞬態振鈴——它會告訴您很多便宜的事情。

此外，在開發過程中，如果設計負載發生變化，補償通常也必須發生變化。例如，您是否在其設計負載的一半時使用工廠評估模塊？你看到了問題。

問題 #8：低溫問題

請記住，低溫下電解電容的 ESR 會升高，電容也會下降。

問題 #9：PMBus 問題

在共享數據通信總線上，確保在您不注意時另一個節點不會間歇性地抖動。

此外，請確保您使用的上拉電阻足夠強：47kΩ 上拉電阻（如 FPGA）不如 10kΩ 好。

以上不難看出：進行故障排除時，重要的是要考慮哪些變量在起作用，并減少可能的故障原因的數量。考慮到這些概念后再去開始排查，能有更加清晰的認知減少試錯的可能，同時節省更多的時間。

以下是一些可以幫助您的指南：

1.您需要可靠地使系統無法對其進行故障排除。一個自行消失的問題會自行卷土重來。

2.一次只改變一件事并注意效果。

3.如果電路停止工作，問“發生了什么變化？” 是否有與失敗同時發生的事件？

4.查看故障是否隨轉換板、芯片或負載移動。