Почему горят транзисторы в buck конвертерах? Опции

[kt368]

Здравствуйте.
Есть два понижающих преобразователя (19В - 12В 12А и 19В - 5В 8А), которые находятся на одной плате и питаются от одного БП. Вот их схемы:


Питается это всё от внешнего импульсного БП 19В 200 Вт.
У меня сгорели транзисторы в 12-и вольтовом преобразователе, причём один звонится во всех направлениях (вместе с затвором), второй - только сток и исток. Это произошло когда я плавно повысил выходной ток до 5.5А (канал 12В). После этого я сразу отключил входящее питание, сгоревшие транзисторы на ощупь холодные. Эти же элементы стояли раньше на другой плате (предыдущая версия), после были перепаяны на эту плату. Разводка этих преобразователей не менялась, были изменения в других узлах устройства.
Ещё замечу - на первой версии платы сразу после сборки сгорел верхний транзистор 12-и вольтового канала, тоже во всех направлениях, после чего на вход (на линию 19В) я поставил электролит 220 мкФ, дальше 12-и вольтовый канал работал как по маслу - до 12 А без проблем, только горяченькие элементы были.
Да, а 5-и вольтовый преобразователь ведёт себя очень странно - на новой плате (на вход сразу впаял 2200 мкФ) он при нагрузке уже в 0.6 А начинает "шипеть", это же наблюдается и при больших нагрузках. При нагрузке 3.5 А и в нём выгорели оба транзистора, и оба во всех направлениях. Став осциллографом на входящее питание я увидел на нём какие-то непонятные (кажется импульсные) пульсации аж 3...5 В (!!!). Конденсатор в 220 мкФ по входу ничего не меняет. Завтра притащу из дома трансформаторный лабораторный БП на 19В, попробую запитать от него.

Как вы думаете, транзисторы пробиваются? Я думаю, что это может быть от того что у преобразователей на входе творится что-то странное, вот они и психеют. Но кто такое творит на линии 19В? Внешний БП с виду здоровенные, да и до его паспортных 200 Вт я не дотягиваю очень сильно. Как посоветуете отследить проблему?

[Егоров]

Входной фильтр ощутимый нужен. Те 4 мкф керамики на 100-150 ватт - мелкие пички давить. Индуктивность подводящих проводов их может перезаряжать на много вольт, особенно при пуске.

[Plain]

На таких частотах в разводке каждый миллиметр на счету, показать только схемы нет смысла.

[_gari]

Здравствуйте.
Есть два понижающих преобразователя (19В - 12В 12А и 19В - 5В 8А), которые находятся на одной плате и питаются от одного БП.
..
Питается это всё от внешнего импульсного БП 19В 200 Вт.

т.е. нагрузка потребляет в сумме 184 Вт, а входной источник на 200
как-то это выглядит несколько за гранью разумного.
Дплее следует список:
характер потребляемого тока;
кпд;
коэф испольовния БП и т.д.

[kt368]

Входной фильтр ощутимый нужен. Те 4 мкф керамики на 100-150 ватт - мелкие пички давить. Индуктивность подводящих проводов их может перезаряжать на много вольт, особенно при пуске.

Забыл обозначить на схеме - на входе стоит LOW ESR 2200 мкФ 25В.

На таких частотах в разводке каждый миллиметр на счету, показать только схемы нет смысла.

Прикладываю скрины разводки:

т.е. нагрузка потребляет в сумме 184 Вт, а входной источник на 200
как-то это выглядит несколько за гранью разумного.
Дплее следует список:
характер потребляемого тока;
кпд;
коэф испольовния БП и т.д.

184 Вт - это если оба преобразователя нагрузить по максимуму, такое будет не более чем на 1-2 сек. В обычном режиме работы (99% времени) они вместе будут отдавать до 40 Вт.

Так как глюки явно связаны с перепайкой деталей с одной платы на другую (нашёл ещё два непропая ), то дождусь пока приедут новые компоненты, а пока буду проверять остальные узлы устройства.
А как вам моя разводка? Конденсатор 2200 мкФ впаивается в два пада, находящиеся справа на скрине 12-и вольтового канала.

И еще вопрос: можно ли заменить один керамический конденсатор на другой, разных производителей, с учётом что емкость, максимальное напряжение и корпус у них одинаковые? Меня волнует ESR, в частности то что в даташите ни того ни того про ERS ни слова. Просто первый конденсатор был мне рекомендлован техасовским софтом WeBench, а у меня в наличии есть такие же, но другого производителя. Например, можно ли вместо этого конденсатора использовать этот?

[Plain]

Такие схемы так не разводятся. Первый же критический компонент, C21 — он у Вас явно для галочки, на обочине, тогда как в бумаге ясно сказано:

C_VCC should be placed at the pins of the IC to minimize potentially damaging voltage transients caused by trace inductance. A value of 1 μF was selected for this design.

Затворные дорожки, по которым, напомню, гуляют токи под 5 А и мегагерцы, тоже легли абы как. И про C25 — надеюсь, Вы понимаете, что в паспорте имеется ввиду полимерный.

Разводку таких схем надо делать в строгой очерёдности, а на ДПП это вообще искусство.

[Integrator1983]

Разводка - кошмарный ужас.

[kt368]

Признаю, что разводка ужасна. Пробую её улучшить по вашим рекомендациям:
1. Расширил проводники к затворам ключей - теперь они по 0.8 мм.
2. Постарался минимизировать переходные отверстия на этих проводах.
3. Правильно (как мне кажется) расположил конденсатор C21.
4. Разнёс от проводника, идущёго к затвору Q6 сигналы токового шунта R13 - раньше они были подвержени индуктивной наводки со стороны тока перезаряда затвора Q6.
5. Конденсаторы C25,C27,C28 - низкоимпедансные полимерные.
Я всё правильно делаю? Что ещё можно попытаться сделать, дабы разводка стала сносной?
Да, вот скрин 12-и вольтового преобразователя:

[Plain]

Что ещё можно попытаться сделать, дабы разводка стала сносной?

Это же очевидно — начать её заново:

1) ставите контроллер;

2) ставите C_VCC на расстоянии ноль от контроллера;

3) ставите C_HB на расстоянии ноль от контроллера;

4) ставите R_SENSE на расстоянии ноль от контроллера;

5) ставите переход вывода PGND на нижний слой ПП на расстояниях ноль от контроллера, ноль от C_VCC и ноль от R_SENSE;

6) ставите D_HB на расстоянии ноль между C_VCC и C_HB;

7) ставите Q_L на расстоянии между его GS и C_VCC ноль;

8) ставите Q_H на расстоянии между его GS и C_HB ноль;

9) ставите C_IN на расстоянии ноль от перехода PGND и стока Q_H.

После этого минимально возможно увеличиваете все получившиеся нули до соблюдения норм ПП.

Всё остальное разводится точно таким же способом, и никак иначе.

В результате получите компонент, называемый по-научному "печатный узел импульсного преобразователя", который, и только который, т.е. в неизменном виде, сможете применять в Ваших приборах, т.е. всё остальное — как то, другие узлы схемы, красивые изгибы корпуса, кнопки, лампочки, прочие установочные компоненты — являются ведомыми, подчинёнными, пешками, обязанными безоговорочно прогибаться по отношению к разводке схем такого класса.

[kt368]

Большое спасибо, попробую всё сделать так как Вы описали. Ну вот почему правилам разводки критических узлов ПП не учат в универе?

[НЕХ]

И снабберную цепочку не забудьте !

[HardEgor]

У вас расположение элементов неправильное.
Признаки:
- дорожки к затворам перекрещиваются
- дорожки тока с R13 оббегают полплаты до микросхемы
- дорожка напряжения до R17 то же самое

Попробуй:
- Q5, Q6 повернуть на 90 градусов против часовой и сдвинуть вправо на место микросхемы
- микросхему с обвязкой повернуть на 180 против часовой и на место транзисторов
Потом можно эту свзяку покрутить чтобы удобнее встала.

Если не понятно и проект делается в Алтиуме, то могу показать.

[drum1987]

Я бы на вашем месте еще разделил таки AGND и PGND. А также за основу топологии взял бы отладочник от техаса http://www.ti.com/lit/ug/snva469b/snva469b.pdf

[НЕХ]

И резистор в затвор верхнего просится...
и будут ли нормально работать выбранные вами nexfet со "сверхлёгким" затвором с внутренней dead-time логикой контроллера неясно...
см. раздел "HO Output" LM25116

[kt368]

Всем спасибо за помощь, в понедельник буду переделывать.
P.S. Да, проект в Альтиуме, вроде объяснили понятно, сначала попробую сам .

[kt368]

Переделал 12-и вольтовый канал руководствуясь аппнотами, вашими инструкциями и рекомендациями. Вот что получилось:





На нижнем слое в местах, где резался полигон земли наставил 0-омных 1206 резисторов, типа "третьего слоя" получилось. Такая разводка будет нормально работать?

[Plain]

Судя по тому, что ни одним моим советом не воспользовались, у Вас просто какие-то организационные причины, типа корпоративной этики, потёмкинской деревни и т.п.

[kt368]

Почему ж не воспользовался, разве тут не выполнено:

2) ставите C_VCC на расстоянии ноль от контроллера;
3) ставите C_HB на расстоянии ноль от контроллера;

C_VCC в моей схеме - C22, я его поставил как можно ближе, как в аппноте:

Верхний выделенный элемент - как раз и есть C22=C_VCC.
Нижний выделенный элемент - C20=C_HB.
Между этими конденсаторами и контроллером - переходные, по которым идут сигнал на затворы транзисторов (через резисторы). Можно было бы, в принципе, поставить конденсаторы не в 0603, а в 0805, тогда можно было бы протянуть под ними сигналы к транзисторам, но тогда под конденсаторами пришлось бы ширину проводников уменьшить. Я выбрал так, как сделано в аппноте - поставить переходные на сигналы к затворам.

4) ставите RSENSE на расстоянии ноль от контроллера;

А у меня он что, далеко? Руководствовался всё тем же аппнотом, с моим малым опытом рациональнее не смог придумать компоновку элементов, можете, пожалуйста, предложить лучше?

5) ставите переход вывода PGND на нижний слой ПП на расстояниях ноль от контроллера, ноль от C_VCC и ноль от R_SENSE;

По поводу C_VCC - он же, как я уже говорил, напрямую соединён коротким проводником с PGND. По поводу R_SENSE. Возле его земляного вывода стоят два переходных диаметром 0.8 мм, а на нижнем слое (на прошлом скрине забыл подсветить) расставил как мог 0-омные резисторы в 1206 - вот тут видно как они расположены:

Считаете что меджду выводом PGND и земляным выводом R_SENSE всё-таки слишком большой импеданс?

6) ставите D_HB на расстоянии ноль между CVCC и CHB;

Так вроде-бы ближе никак нельзя, между диодом D2=D_HB и контроллером стоит конденсатор C_HB и переходное. Вот для примера привожу сравнение разводки этого узла у меня и в аппноте:

Хотя, можно сделать ещё вот так:

Так стало, кажется, лучше, но почему тогда в аппноте сделали проще (читай - хуже)?

7) ставите QL на расстоянии между его GS и CVCC ноль;
8) ставите QH на расстоянии между его GS и CHB ноль;
9) ставите CIN на расстоянии ноль от перехода PGND и стока QH.

Тут взял за основу расположение элементов аппнота. Конечно, два слоя - хуже, чем четыре, поэтому приходится пытаться кое-как улучшить ситуацию применением 0-омных резисторов на нижнем слое.
А Вы можете порекомендовать что попробовать сделать чтоб улучшить разводку на двухслойной плате? Или Вы просто ведёте к тому, что нужно использовать 4-х слойную ПП?

[Plain]

Никто Вас не толкает. Это Вы сами, с Ваших же слов, уже следуете руководству по разводке 4-слойной ПП. Вернее, именно со слов, потому что на деле там ни слова не сказано, что общий слой надо не только превратить в дуршлаг, но и порвать в клочья.

Между КП ПП 0603 любого производителя Вы увидите стабильный 1 мм, т.е. гораздо грубее норму, что у применённого Вами контроллера.

То же и до затворных дорожек — они легко проходят под корпусом LFPAK.

И исходя из цоколёвки контроллера, должно же быть ясно, что между КП D_HB надо будет протянуть две дорожки. Стало быть, его корпус не может быть любым желаемым, а только соответствующим этому требованию.

Таковы факты.

Поэтому-то я и говорю, что у Вас организационные проблемы, как минимум. Для начала, просто скажите начальству, что с нормами 0,3 детекторный радиоприёмник развести можно, да, но никак не такой БП на ДПП.

[HardEgor]

Я бы еще пооптимизировал конечно:
- резисторы R13, R14 поставить прямо около затворов, -2 переходника
- на затвор Q4 дорожку провести до резистора рядом с затвором
- тогда с датчика тока дорожки пройдут напрямую -2 переходника
- дорожка на 18-ю ногу очень плохо разрывает землю - возвратные токи затворов пойдут обходными путями

Есть еще один момент - землю неплохо бы упорядочить. Т.е. выделяешь и укорачиваешь контуры прямых и возвратных токов, плюс попробуй сделать разделение земель. Например выходной и возвратный ток нагрузки не должен протекать там где протекает ток управления затворами, точно для токов входных, тока самого контура преобразования, тока микросхемы, токов микросхема-затвор-исток-миросхема и т.д., для этого как раз и предназначены AGND and PGND. И соединяться все земли скорее всего должны под микросхемой. Вот это я бы сделал в первую очередь, после раскладывания элементов согласно плану товарища Plain.

[kt368]

Ещё доработал. Минимизировал переходные, пришлось пойти на некоторые извращения - резистор в затворе нижнего ключа пришлось ставить 1206 - чтоб между его падами нормально два провода пролезло, а то производство хочет не менее 0.9 мм между падами для 0805, остаётся только 2*0.15 мм на медь и 3*0.2 на зазор между проводниками. С корпусом 1206 ширина дорожек к шунту стала 0.4 мм, без переходных отверстий.
Дорожка к нижнему ключу тоже без переходных, где можно старался сделать её пошире.
И дорожку на 18-ую ногу пустил по-другому, так она не отгораживает термопад по нижнему слою от земляных переходных отверстий большей части преобразователя.
Вот скрины полученного:



Прошу гуру прокомментировать

[Plain]

Стало немного лучше, но всё ещё далеко от рабочего.

При наличии факта 0,2 мм между КП QFN и 0,1 мм на прочие зазоры, требование "0,9 мм между КП 0805" бессмысленно. Ну да, эти тётеньки всегда и везде хотят в коротких перерывах между лузганьем семечек набивать ПП левой ногой, а для установки QFN командировать швейцарского часовщика, но при чём здесь Вы.

[kt368]

А можно, пожалуйста, подробней, что тут далеко от правильного?

[Plain]

Общий слой стал менее дырявым, в остальном всё те же неприемлемо длинные силовые пути.

[HardEgor]

Вроде больше некуда оптимизировать, можно еще добавить такие правки:
- L2 двигаем влево, емкость С28 ставим справа от L2, чтобы плюсом она упиралась в L2, а минус ложился в точку соединения С4-С7, цель - укорачиваем силовой контур
- под микросхемой и обвязкой выделяем отдельный полигон земли, чтобы он соединялся с силовой землей в точке соединения С4-С7, цель - делим земли, чтобы через этот полигон не протекал ток силовой земли

Еще можно рассмотреть вариант флипнуть на боттом микросхему с обвязкой прямо под транзисторы - вроде все связи укорачиваются, но у меня уже воображения не хватает увидеть недостатки.

[kt368]

Да я уже сам подправил, вот на таком остановился, заказал пробную плату.

Подобным же образом переделал разводку 5-и вольтового преобразователя:

Как придут платы - буду тестировать.

[HardEgor]

Плохо С28 поставил, лучше бы уж оставил на старом месте.
Я оставлю эту ссылку здесь http://www.elart.narod.ru/

[kt368]

Да, в текущей версии получается что ток при открывании верхнего ключа протекает через C28, затем течет возле земляных переходных отверстий контроллера, а потом уже дотекает до земляных отверстий С4-С7. Т.е. минус в том, что на пути тока находится земля контроллера, так? И второе, что, этот ток может создать настолько большое падение напряжения на земляном полигоне? За ссылку спасибо.

[HardEgor]

Первый эффект - перепады токов в десятки наносекунд бегают по плате и наводят со страшной силой помеху куда ни попадя.
Второй эффект - те же самые перепады перезаряжают индуктивности дорожек, да мизерные, но на такой скорости они могут создавать ощутимые подскоки и провалы земли.
Да ты просто крокодилом щупа осциллографа зацепись за землю платы и ткнись щупом в этот крокодил - увидишь что наводится просто на общий провод щупа.

[kt368]

Получил платы, собрал 12-и вольтовый канал - работает, на выходном токе 2...3А транзисторы и дроссель тёплые, на 12А после пяти минут работы - очень горячие. Но т.к. такая нагрузка будет не более 1 минуты, то считаю результат отличный.
Теперь о плохом...
5-и вольтовый канал не запускается, потребляет 300 мА без нагрузки, Uвых=0, сильно свистит (или шипит). В понедельник сделаю фотографии осциллограмм напряжений. Привожу скрин разводки:

В чём может быть проблема? На вход параллельно C3 впаял электролит 2200 мкФ - ситуация не изменилась. Резистор в затворе нижнего транзистора 0 Ом, в затворе верхнего - 1 Ом. Тут не разведена снабберная цепочка, 470 пФ+5 Ом, напаял сверху.

[HardEgor]

5-и вольтовый канал не запускается, потребляет 300 мА без нагрузки, Uвых=0, сильно свистит (или шипит).

Похоже на ошибку при пайке - диод перевернули или резистор не тот.
Сразу смотри кто греется 19*0,3= 6 Вт

[kt368]

Перепроверил все компоненты, заменил на всякий случай диод, поставил другой дроссель (тот который изначально планировал). Преобразователь запустился, ток потребления 20 мА при ХХ на выходе, размах напряжений на затворах - 7.5В, пересмотрев документацию подал на вывод VCCX 12В с выхода первого канала. Теперь при открывании ключей V_GS=13В, это мне больше нравится.
Слышен слабое шипение. При нагрузке током 2А шипение усиливается (все равно слабое), но на выходных конденсаторах C26, C27 (схема ниже) наблюдаю вот такую ужасную картину:

При увеличении нагрузки пульсации по выходу ещё увеличиваются. Это что, возбуждение в цепи обратной связи? Что теперь не так?
Вот сама схема:


Всё. Обвесил кондёрами - стало всё отлично. Поставил вместо C26,C27 4*10мкФ 25В, TI Webench мне предлагал поставить 2 керамики 22мкФ 6.3 В, позабыв что при 5-и вольтах у неё будет уже совсем не 22 мкФ, а не более 5-и. Заменил на 25-и вольтовые проверенные керамические конденсаторы.
Также поставил параллельно C29 ещё одну такую же керамику, 25-и вольтовую. Ну и в довесок туда же поставил полимерный конденсатор 220 мкФ 25В.
Теперь при 8А нагрузке вижу на выходе:


Рисунки сжал.

Сообщение отредактировал Herz - Jun 11 2013, 07:33

[HardEgor]

Гм, не понял куда смотреть. Неплохо привязку какую-нибудь сделать - вход синхронизации привязать на Rt, а второй канал показать с затвора или датчика тока.
И напряжение лучше показывать с С26.

зы. у меня Rigol умеет на флэшку сохранять

[kt368]

Посоветовавшись с руководством решили оба канала делать на LM25117, разводка будет одинаковая, ключи тоже. Позже выложу результаты работы.
Всем спасибо за помощь!

[W^W]

На таких частотах в разводке каждый миллиметр на счету, показать только схемы нет смысла.

И на каких это таких частотах страхи? ))
Я, например, в синхробуке 12В-3.5 В (15А) вообще без эл.литов обхожусь. Вход - литиевый аккум, выход - мощный светодиод. Лишнее место занимают только...

[Herz]

Я, например, в синхробуке 12В-3.5 В (15А) вообще без эл.литов обхожусь. Вход - литиевый аккум, выход - мощный светодиод. Лишнее место занимают только...

А зачем светодиодам электролиты?

[Starichok51]

чтобы меньше пульсация тока было через них.

Сообщение отредактировал Starichok51 - Jul 3 2013, 13:51

[W^W]

Это да. Пульсации снижают эффективность работы самого светодиода (преобразование ток-свет).

[Starichok51]

если мощный светодиод использовать не на полную мощность, то можно обойтись без конденсатора. лишь бы амплитуда тока не превысила максимально допустимый ток.

[kt368]

Все, собрал окончательную версию преобразователей.
Вот разводка:
12В:

5В:

Вот окончательные схемы:
5В:

12В:

Получил такие КПД:
12В:
Iн=1A КПД=94,7%
Iн=3,3A КПД=96,5%
Iн=7,6A КПД=96,9%
Iн=10,5A КПД=95%

5В:
Iн=0,98A КПД=87%
Iн=2,58A КПД=91,3%
Iн=4,46A КПД=95,0%
Iн=6,63A КПД=96,6%

После 10-и минутного прогрева при максимальной мощности КПД упало на 0,5%.
Итого считаю тему закрытой, всем огромное спасибо!
Да, пульсации на выходных конденсаторах: RM до 5 мВ, p-p до 25 мВ. При измерении земляной щуп осциллографа заменялся маленькой проволочкой.

[kt368]

Готовлю плату к производству. Буду делать 10 опытных плат. Подскажите, можно ли вместо рекомендованных Webench'ом ключевых транзисторов CSD17506Q5A использовать более дешевые CSD17551Q5A? У них в два раза большее сопротивление канала (8.8 мОм против 4 мОм), но зато на 30% меньшая ёмкость затвора и в два раза меньшая цена (0.19 USD против 0.44 USD). При моделировании webench оценил мощность, выделяемую транзисторами, её составляющая, обусловленная сопротивлением канала оказалось в два раза меньше, чем составляющая, обусловленная перезарядом ёмкостей транзистора (потери на переключение). Исходя из вышеперечисленного считаю такую замену разумной. Или я ошибаюсь?