作者:Jasper Li

DC/DC 变流器IC可能在整个产品系统的并不起眼,但它们对产品的稳定可靠工作至关重要。尽管TI 提供详细的规格书和应用文档帮助客户在系统上正确地实现变流器IC的功能,在实际应用中依然因为种种原因导致IC不正常工作问题,例如启动异常,输出电压不稳定,纹波过大甚至IC损坏等等。大部分时候,引起IC异常工作的原因并不复杂,简单的调试可以快速地定位并解决问题。这篇文章介绍几点针对升压变流器的调试经验。

第一点: 能否在多块板子上重复相同现象

当在一片系统板子上发现问题的时候,首先要做的是尝试在另外一片或多片板子上重复现象。如果现象无法重复,那么问题可能是由于焊接不良或者IC损坏导致的。

焊接不良可能出现在DC/DC 变流器IC及其外围器件上,分为两种情况:相邻pin脚短接和pin脚虚焊。短接问题可通过观察pin脚焊接情况并且测试相邻pin阻抗的确定。IC的pin脚虚焊可利用IC内部的二极管排查。

如图1所示,因为电路需要,IC内部在GND pin脚与其他pin脚之间有一个二极管。使用万用表测试二极管的档位测试这些二极管压降,可以间接排查IC的虚焊问题。二极管压降一般在0.5V~0.7V之间。

图 1: VIN pin 和 GND pin之间的二极管

变流器IC的损坏主要由ESD 过压,PCB布板不好或者外接过压电源引起的。测量不同pin脚和GND pin之间的阻抗,并且与正常IC相比较可判断出IC是否损坏,以及损坏的位置。

第二点:是否选择正确的器件

电感和输出电容是关键的外围器件。建议选择规格书推荐的电感值和电容值。规格书在“Recommended Operating Conditions,” “Inductor Selection” and “Capacitor Selection” 这些章节提供电感和电容的参考值. 如图 2所示,升压变流器IC  TPS61253 规格书建议有效电容值 在3.5µF to 50µF之间,电感值在0.7µH to 2.9µH之间.

图 2: TPS61253 建议工作条件

须注意陶瓷电容的有效电容值与其偏置直流电压相关,小于标称电容值。以村田0603封装10 µF电容GRM188R60J106ME47为例,在5V偏置电压下电容有效值仅为3µF。过小的输出电容值导致输出纹波过大甚至输出电压不稳定。选择饱和电流足够大的电感,否则在重载条件下电感可能饱和,电感量降低至推荐范围之外,引起IC异常工作。

第三点:PCB布板是否合理

不合理的PCB布板会导致很多问题:电压纹波过大,输出电流能力受限甚至IC损坏。输出陶瓷电容是升压变流器PCB布板中最重要的器件,绝大部分布板问题是由输出陶瓷电容位置和走线不合理导致的。参考应用文档“Five Steps to a Good PCB Layout of a Boost Converter” 以及对应IC的规格书PCB建议章节的排查PCB问题。如果怀疑问题由某个器件的不合理位置导致的,可以在现有系统板上调整并实验,进一步确认问题,以便于后续的PCB布板修改。

第四点:测试工作电压波形

变流器的工作波形对找到问题的原因非常有用。在升压变流器中,VIN pin、SW pin、VOUT pin 和电感电流ICOIL波形最为重要。图 3 示意电感电流的测量方法:在电感中串联一根电线,并用电流探头测量流过电线的电流波形。

图 3: 测量电感电流的方法

如果条件允许,最好同时测量这四个点的波形。图 4 示意IC TPS61258的轻载和重载条件下正确工作波形,图中通道1、通道2、通道3 和通道4 分别代表输出VOUT, SW, VIN and ICOIL (电感电流)。 其中 通道1为直流耦合,偏置电压设置等于输出电压5V,这样可以同时获知直流电压值和电压纹波的信息。

在轻载条件,TPS61258工作在轻载高效模式:IC工作一段时间,然后待机一段时间。在重载条件下,TPS61258工作在定频模式,开关频率约为3.5MHz,减小输出电压纹波。

在重载条件下,SW电压等于0V或者输出电压值。当SW电压等于零的时候,电感电流线性上升;SW电压等于输出电压时,电感电流线性下降。

       

(a)    轻载条件                                                             (b)重载条件

图 4: TPS61258工作波形 (通道1 VOUT, 通道SW, 通道VIN, 通道ICOIL)

规格书一般会提供IC的正常工作波形,如果实测波形与之不一致,则可能判断出问题的原因,比如电感电流过高导致限流,输出电压不稳定,输入电压超过规定范围等等。

最后:记录调试数据和波形

对于一些和系统相关或与IC内部控制原理相关的复杂问题,以上四点方法可能不足以找到原因,需要联系TI的现场应用工程师或者在TI E2E™ 论坛上提问。最好的方法是记录以上调试的数据和波形,并且附上电源IC的原理图和PCB一起提供,这些资料帮助TI的工程师有效、快速定位问题,解决问题。