案例｜地彈導致DC/DC電源芯片工作異常

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很多讀者都應該聽過地彈，但是實際遇到的地彈的問題應該很少。本案例就是一個DCDC電源芯片的案例。

1. 問題描述

如下圖1 ，產品其中一個供電是12V轉3.3V的電路，產品發貨50K左右以后，大約有1%的產品無法啟動，經過解耦定位，問題出在下圖中的電源芯片。

圖1 12V 轉3.3V電路

2. 原因分析

經過最終的分析，問題最終定位在與PCB的布局和布線有關，其中涉及一個重要容易忽略的技術：地彈。

如下圖，左圖是芯片內部的原理框圖，右圖是實際PCB中的布局圖，在高頻開關電源中，提供能量來源的有兩個器件：輸入電容Cvin和電感Lbuck；

（1）當高端開關閉合，低端開關斷開時，電流的路徑如紅色箭頭所示；

（2）當高端開關斷開，低端開關閉合時，電流的路徑如藍色的箭頭所示。

圖2 芯片內部的高低開關（左圖）、實際的工作示意圖（右圖）

根據電磁感應定理：e=-dФ/dt=-d(Li)/dt=-Ldi/dt，由于紅色和藍色的環路面積變化較大，最終的體現會在低端開關和Cvin之間產生感應電動勢。

廠商內部手冊中顯示，電源芯片滿足以下兩個的條件，就可以進入測試模式，測試模式下，電源芯片不工作，電源無輸出。

（1）pin5 引腳FB 電壓大于3V；

（2）pin6引腳COMP電壓小于-0.5V；

我們實際設計的PCB示意圖如下圖所示，環路1由Cvin、高端開關、L、Cbuck、負載組成，環路2由Cbuck、負載組成，環路3由低端開關、L、負載組成。其中環路面積變化A最大，同時電流突變最最迅速，實測引腳6 COMP 最高可達到-0.6V。如果FB引腳耦合的干擾達到3V，是可以將芯片進入到測試模式的，導致無法輸出。

圖3 較差的布局產生3個環路

圖4 較差的布局產生3個環路

3. 解決方案

問題的原因主要時兩種開關狀態時的環路面積不一樣，導致感應電動勢變化太大，導致芯片內部的邏輯混亂。重新布局后的措施如下：

（1）將輸入電容、高低端開關盡量在同一水平線；

（2）將輸出電容和負載盡量靠近用電端，消滅上圖中的環路2導致的變化。同時可以應付用電設備的突發電流，突發電流大部分由輸出電容供電，而不是通過電源芯片轉換而來。

（3）重新布局后的環路面積變化=變化的長度X板厚度。板厚為2mm，此時的面積變化基本可以忽略不計。

圖5 優化布局，環路變化基本可以忽略不計

4. 總結

對于DCDC電源芯片，廠商不會對外公布其內部的具體邏輯電路，但是有一點可以肯定，高低開關兩種不同的狀態導致的環路面積變化，如果沒有處理好，產生的地彈會影響內部邏輯，使得進入不確定的工作狀態。