电源管理: 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、输入电压4.5V-23V, 3A 的同步整流的BUCK Converter, 广泛应用于低压系统中。本文主要介绍一则故障案例，通过本案例的分析，给出D-CAP控制方式下FCCM模式器件，当备用电源电压高于BUCK预设输出电压时，存在的风险，实验测试结果，以及规避该风险的方法。

背景介绍

客户使用FCCM模式的TPS54339DDAR器件，用于12V转5V，同时有备用电源的需求，备用电源经由开关电路S1连接到BUCK的输出母线上。当检测到TPS54339输入电压低于10V时，开关电路S1闭合，系统由备用电池供电。

图1： 系统框架图

备注：

BUCK 设置的输出电压称为V_target

BUCK端实际的输出电压称为V_out;

备份电池电压称之为V_backup;

故障描述

由TPS54339手册得知，在下降沿，只有EN电压低于0.6V才会关闭，UVLO低于3.45V，芯片才会停止工作。在打开备用电源时，芯片的EN和UVLO都处于使能状态，所以芯片处于正常工作状态。且备用电池额定电压5.4V, 电池电压最高可以充到5.6V，经过开关电路S1之后，到达BUCK母线上的电压可能高达5.3V。这样就导致V_out > V_target且TPS54339处于使能状态。在D-CAP的FCCM模式下，这样会导致输入侧电压升高，从而导致芯片输入侧过压击穿短路。故障表现为TPS54339的1/2/3/6引脚对地短路。

图2：TPS54339 block diagram

根因分析

假设VIN能建立一个稳定的电压，那么整个BUCK变换器处于稳定工作，则必须满足伏秒平衡以及电感电流平衡。

由于V_out > V_target，BUCK的下管会持续开通，直到触发芯片的NOC(负向电流)保护。所以

由于稳定工作，所以结合上式可以得出以下等式：

由法拉第电磁感应定律可知，工作状态下，将会是很小的一个值，所以VIN端会存在高压的风险。

实验结果

以TPS54339EVM-056为测试板，仅将R1电阻由8.25KΩ修改为120KΩ。给输出端加一定电压，测试输入端电压。12V输入时，额定空载输出电压为5.25V。

输入输出端空载实验

将输出电压调整5.26V-5.32V，可以看到，输入端的电压高达33V，已经超过了TPS54339 VIN引脚最大耐压25V，可能会对器件造成永久性损坏。

表1：BUCK输入输出端空载测试结果

图3：V_backup电压为5.32V时，TPS54339不同引脚波形

输入端空载实验，输出0-3A带载实验

测试结果同输入输出端空载一致。实际做实验时，需要注意线损电压，因为0.01V的压降，都会对输入端的电压值影响很大。

输入端30mA带载实验，输出空载实验

考虑到在实际系统中，TPS54339的输入端可能同样会有负载。这里以TPS54339输入端有30mA负载为例。测试结果如下：

表2：BUCK输入端30mA负载，输出端空载测试结果

结论

D_CAP控制模式的FCCM器件，当用于需要备用电源的系统时，应注意备用电源的电压不能比BUCK预设的电压高，否则可能会出现输入侧出现高压的场景。

对于备用电源电压高于BUCK预设电压的系统，建议选择轻载调频模式的器件，比如TPS54339EDDAR或者控制EN脚，使输入掉电时，快速关断EN，从而让芯片停止工作。如果不是很关注系统效率也可以在BUCK输出后再串联一个二极管，这样防止电流倒灌。

参考文献 

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.