【硬件調(diào)試】RT9018A上電故障問題分析

硬件電子工程師

【摘要】
本文介紹了曾經(jīng)趟過的那些坑之DCDC調(diào)試。在調(diào)試過程中，遇到的RT9018電源芯片的上電故障的分析、定位和解決方法，對產(chǎn)生的故障的原因和解決問題的思路做了簡要介紹。
" M( K8 |% `$ N" O7 w1、問題現(xiàn)象
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3 y1 h, y8 `% k7 i' z0 s圖1 RT9018及其外圍電路
如圖1所示為RT9018及其外圍電路，在單板設(shè)計中，使用1.8V作為輸入和使能信號，VDD是芯片內(nèi)部控制電路的輸入電壓，采用兩個分壓電阻分壓出5V輸入到VDD。起初在設(shè)計時，沒有考慮到RT9018芯片VDD引腳的對地阻抗，認為使用7.5K和5.11K電阻對12V分壓即可產(chǎn)生5V電壓。但是實際上RT9018啟動之后，會在VDD拉取一定的電流，使得電位下降，如圖2所示為VDD輸入電壓和輸出電壓的上電波形，可以看出，VDD上電過程中一個跌落，而且上電完成之后，分壓只能達到3.72V，而且有明顯的跌落，RT9018無輸出。

+ J! {, P# I0 N, V/ O7 k2 c& ~圖2 RT9018上電波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
2、問題分析
查閱RT9018規(guī)格書，如圖3所示為RT9018的內(nèi)部邏輯框圖，可以看出，VDD引腳的輸入電壓用于控制內(nèi)部電路的POR，連接到內(nèi)部的上電復(fù)位電路（Power On Reset），并為內(nèi)部電路提供一定的電流。VDD引腳可以承受的電壓范圍在3~6V，正常條件下推薦的輸入電壓為3.6~5.5V。

6 D; w7 I0 t" M1 y& y: ?4 F: m0 h圖3 RT9018的內(nèi)部邏輯框圖



圖4 VDD輸入電壓要求
* H. |* s" _  S6 z, \( [: k$ X為了解決VDD分壓輸入不正確的問題，首先考慮調(diào)分壓電阻，保持R99阻值7.5KΩ不變，將R102調(diào)整為9.5KΩ之后，如圖5所示可以正常輸出5V電壓，但是有明顯的跌落現(xiàn)象，從5V跌落到2.5V左右，而且RT9018仍然沒有電壓信號輸出.
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圖5 RT9018上電波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
; Z( u9 L8 e; `1 I4 n+ ~分析VDD跌落產(chǎn)生的原因：VDD輸入電壓為內(nèi)部POR電路提供電流，根據(jù)分壓電阻計算，VDD能提供的電流為12V/(7.5K+9.5K)=0.7mA，根據(jù)Richtek方面反饋，VDD正常工作需要的最大電流值為5mA，現(xiàn)在能提供的電流遠小于正常工作需要的電流，當電流被內(nèi)部電路抽走之后，在R102上的分壓就會下跌，查閱規(guī)格書，如圖6所示，POR開啟電壓的臨界值為2.7V，遲滯電壓為0.2V，也就是說VDD高于2.7V開始使能，但低于（2.7-0.2）=2.5V時，芯片開始關(guān)閉。所以在我們看到的波形里，當VDD因為POR電路抽走電流導(dǎo)致電壓下跌，當下跌到2.5V時，POR開始關(guān)閉，然后VDD又回到預(yù)設(shè)的分壓值5V，使POR電路重新打開，這種現(xiàn)象不斷重復(fù)，具體表現(xiàn)就是如圖2和圖5中的情況。
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圖6 POR開啟電壓和遲滯電壓
分析VDD上電過沖產(chǎn)生的原因：因為采用R99=7.5KΩ和R102=9.5KΩ分壓，所以VDD上獲得的分壓為12*9.5（7.5+9.5）=6.7V，在上電瞬間，RT9018還沒開始工作，內(nèi)部電路不需電流，VDD上的分壓可以拉到6.7V，RT9018開始工作之后，內(nèi)部開始拉取電流，產(chǎn)生的跌落現(xiàn)象就和圖2是一樣的，具體原因也是一樣的。

如圖7所示為規(guī)格書中，VDD與VOUT之間的瞬變響應(yīng)特性，左右分別為在負載電流0A和2A情況下，VOUT隨VDD變化的動態(tài)響應(yīng)特性，由圖可知，在VDD瞬變過程中，VOUT會產(chǎn)生一定的跌落和毛刺。觀察這個圖，可以不難理解圖2和圖5中為什么沒有電壓輸出了，在VDD獲得分壓5V的情況下，流經(jīng)R99的電流為（12-5）V/7.5K=0.93mA，VDD從5V跌落到2.5V左右，由于VDD能提供的電流太低，動態(tài)響應(yīng)能力太差，所以輸出端無法正常輸出1.5V電壓。

+ V. G% L+ v; ?圖7 RT9018動態(tài)響應(yīng)特性
3、問題解決
后來發(fā)現(xiàn)在規(guī)格書，推薦的電路中，如圖8所示，VDD輸入端有一個接地的濾波電容，考慮到圖2和圖5中的VDD輸入電壓波形跌落是因為不能提供工作電流需要，而分壓獲得電流的續(xù)流能力不夠，才導(dǎo)致跌落的，在這里接濾波電容的話，可以增強VDD輸入端的續(xù)流能力。如圖9所示，在VDD輸入端焊接一個對地并聯(lián)電容之后，VDD輸入電壓和RT9018的輸出電壓波形，可以看出，VDD在上電過程中有明顯的震蕩，但是因為電容的存在，這個跌落周期更緩慢，在大概240ms之后VDD上電波形趨于平穩(wěn)，而且輸出電壓可以正常輸出。
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圖8 RT9018典型應(yīng)用電路圖
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圖9 RT9018上電波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
, L8 s2 w# u9 }5 Y分析震蕩產(chǎn)生的原因：上電之后對電容充電，同時內(nèi)部POR電路開始拉取電流，由于兩個過程同時進行，電容一方面要充電另一方面還要為POR電路提供續(xù)流，而POR所需電流也不是一個穩(wěn)定值，這樣電容在開啟階段反復(fù)的充放電，具體表現(xiàn)就是一個震蕩的波形。另外由于R102和1uF電容組成的回路要給POR電路提供續(xù)流，所以雖然分壓電阻沒變，相比沒有濾波電容的情況，這里得到的分壓也會相對更小。
在VDD輸入端焊接濾波電容的話不僅上電波形不理想，而且需要改版，在不改版的前提下，我們找到了一個替代的方案。如圖10所示為APL5910的典型應(yīng)用電路，它的封裝和RT9018是一模一樣，其中VCNTL相當于RT9018的VDD引腳，為APL5910內(nèi)部的控制電路提供電流。如圖11所示，VCNTL可以承受的極限電壓為-0.3~6V，正常工作電壓為3.0~5.5V。

9 r/ A4 h) P" T$ e圖10 APL5910的典型應(yīng)用電路
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1 {8 a: G% Y: c, R: k  z圖11 VCNTL輸入電壓范圍


圖12 VCNTL電流需求
如圖12所示為VCNTL正常工作下需要提供的電流典型值為1.0mA，在芯片關(guān)閉時需要提供的電流為20uA，按照單板原來的設(shè)計，VCNTL引腳是可以提供1mA的電流的。于是在原來的單板的基礎(chǔ)上，取下RT9018，焊接APL5910，分壓電阻R99阻值7.5KΩ，R102阻值9.09K歐姆，測量VCNTL輸入電壓和輸出電壓的波形如圖13所示。APL5910輸出端可以正常輸出1.5V電壓，但是問題是VCNTL的上電波形有一個很大的過沖，而且這個過沖已經(jīng)超過VCNTL能承受的最大電壓6V，長時間工作必然造成單板故障，為了解決這個問題，有兩種設(shè)想：一是按照規(guī)格書的推薦，在VCNTL引腳加一個1uF的濾波電容，可以消除過沖。另一個方法就是調(diào)整分壓電阻，在APL5910可以正常輸出的前提下，如果過沖在可以接受的范圍之內(nèi)，可以保證不用改板。
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5 x, R: z( F- M7 u" Q圖13 APL5910上電波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
1 o% \2 p" O/ s嘗試將R102更換為更小阻值，如圖14所示為R99阻值7.5KΩ，R102阻值7.5KΩ的情況下測量得到的上電波形。由圖可知，VCNTL的上電過沖仍然存在，但是已經(jīng)下降到6.2V，穩(wěn)定后VCNTL的輸出為3.08V，如果進一步減小R102的阻值的話，過沖會進一步減小，但同時VCNTL穩(wěn)定后的電壓也會減小，由圖12可知VCNTL正常工作的電壓范圍在3-5.5V之間，為了不越出這個范圍，分析過沖產(chǎn)生的原因：在上電瞬間，LDO還沒有開始工作，VCNTL引腳對地阻抗很大，在LDO內(nèi)部電路開始工作之后，VCNTL對地阻抗瞬間減小，流經(jīng)分壓電阻的電流增大，
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' s/ m" r6 D$ Z" ]7 ~8 ]+ H圖14 APL5910上電波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
如果將兩個分壓電阻阻值同步減小，流經(jīng)R99的電流就會增大，在分電阻比值不變的情況下，流經(jīng)R99的阻值越大，電流值越大，在R99電阻上的壓降也就越大，由于上拉電壓12V是一定的，那么R99的壓降越大，那么VDD上的輸入電壓也就越小。從這個思路出發(fā)，調(diào)整減小R99和R102的阻值，當調(diào)整到R99=3.3KΩ，R102=2.2KΩ的時候，上電波形如圖15所示，VDD上電時過沖最大值為5.0V，穩(wěn)定后輸出為3.2V，滿足規(guī)格書中的設(shè)計要求，不會對芯片造成損壞。
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圖15 APL5910上電波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
3 q4 B+ ^: p* R2 |: i, {; B$ k/ i  K分析過沖產(chǎn)生的原因：這里過沖產(chǎn)生的原因和RT9018是一樣的，不同的是APL5910內(nèi)部POR電路需要的最大電流為1.5mA ，所以沒有產(chǎn)生跌落現(xiàn)象，開始上電之后POR啟動之前，在VDD上獲得分壓為12V*(2.2 KΩ)/（2.2 KΩ+3.3 KΩ）=4.8V，內(nèi)部POR電路啟動之后，開始拉取電流，因為分壓電路可以提供的最大電流為12V/（2.2 KΩ+3.3KΩ）=2.2mA，能完全滿足POR電路的需求，但是在R102上的分壓會減小，如圖15所示只有3.72V，如果改版的話還是建議在R102處并聯(lián)一個1uF的濾波電容。
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, Y# ^% n" m8 Q: U* I( c( `& Q4、問題總結(jié)
僅以該文致敬曾經(jīng)趟過的那些坑，電路設(shè)計先吃透芯片手冊。