【硬件調(diào)試】RT9018A上電故障問(wèn)題分析

硬件電子工程師

【摘要】
4 l8 A  ^* j7 G) R7 g" D- b. I  S本文介紹了曾經(jīng)趟過(guò)的那些坑之DCDC調(diào)試。在調(diào)試過(guò)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(duì)產(chǎn)生的故障的原因和解決問(wèn)題的思路做了簡(jiǎn)要介紹。
+ S8 F' k+ O! q% W+ M# n7 x9 @5 p7 T1、問(wèn)題現(xiàn)象

+ Z9 Y  R7 w4 a/ z圖1 RT9018及其外圍電路
) v1 v* K3 ?; f- ~如圖1所示為RT9018及其外圍電路，在單板設(shè)計(jì)中，使用1.8V作為輸入和使能信號(hào)，VDD是芯片內(nèi)部控制電路的輸入電壓，采用兩個(gè)分壓電阻分壓出5V輸入到VDD。起初在設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有考慮到RT9018芯片VDD引腳的對(duì)地阻抗，認(rèn)為使用7.5K和5.11K電阻對(duì)12V分壓即可產(chǎn)生5V電壓。但是實(shí)際上RT9018啟動(dòng)之后，會(huì)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(guò)程中一個(gè)跌落，而且上電完成之后，分壓只能達(dá)到3.72V，而且有明顯的跌落，RT9018無(wú)輸出。
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圖2 RT9018上電波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
, U/ l' k  M$ _1 d+ m; r2、問(wèn)題分析
5 S& W" ~# A& e3 H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。

圖3 RT9018的內(nèi)部邏輯框圖



圖4 VDD輸入電壓要求
為了解決VDD分壓輸入不正確的問(wèn)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(méi)有電壓信號(hào)輸出.
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7 m# G3 x. n. o圖5 RT9018上電波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
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(jì)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(yuǎn)小于正常工作需要的電流，當(dāng)電流被內(nèi)部電路抽走之后，在R102上的分壓就會(huì)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(shuō)VDD高于2.7V開始使能，但低于（2.7-0.2）=2.5V時(shí)，芯片開始關(guān)閉。所以在我們看到的波形里，當(dāng)VDD因?yàn)镻OR電路抽走電流導(dǎo)致電壓下跌，當(dāng)下跌到2.5V時(shí)，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。

' P" q% @6 u1 J4 E. \圖6 POR開啟電壓和遲滯電壓
/ z9 ~3 l$ O. ^分析VDD上電過(guò)沖產(chǎn)生的原因：因?yàn)椴捎肦99=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(méi)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(fù)載電流0A和2A情況下，VOUT隨VDD變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，由圖可知，在VDD瞬變過(guò)程中，VOUT會(huì)產(chǎn)生一定的跌落和毛刺。觀察這個(gè)圖，可以不難理解圖2和圖5中為什么沒(méi)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(dòng)態(tài)響應(yīng)能力太差，所以輸出端無(wú)法正常輸出1.5V電壓。
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2 B1 H$ X4 N# D& @. e# S% \圖7 RT9018動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性
3、問(wèn)題解決
后來(lái)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(gè)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?yàn)椴荒芴峁┕ぷ麟娏餍枰�，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(qiáng)VDD輸入端的續(xù)流能力。如圖9所示，在VDD輸入端焊接一個(gè)對(duì)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(guò)程中有明顯的震蕩，但是因?yàn)殡娙莸拇嬖冢�這個(gè)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）
分析震蕩產(chǎn)生的原因：上電之后對(duì)電容充電，同時(shí)內(nèi)部POR電路開始拉取電流，由于兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)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(gè)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(gè)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(méi)變，相比沒(méi)有濾波電容的情況，這里得到的分壓也會(huì)相對(duì)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(gè)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(dāng)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。
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圖10 APL5910的典型應(yīng)用電路



9 Z  a9 h' n% [! C& K9 p圖11 VCNTL輸入電壓范圍


" j9 c: Y* N9 \- s9 _+ j: z圖12 VCNTL電流需求
  ^5 G7 W1 l( l- @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(shí)需要提供的電流為20uA，按照單板原來(lái)的設(shè)計(jì)，VCNTL引腳是可以提供1mA的電流的。于是在原來(lái)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(cè)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(wèn)題是VCNTL的上電波形有一個(gè)很大的過(guò)沖，而且這個(gè)過(guò)沖已經(jīng)超過(guò)VCNTL能承受的最大電壓6V，長(zhǎng)時(shí)間工作必然造成單板故障，為了解決這個(gè)問(wèn)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(gè)1uF的濾波電容，可以消除過(guò)沖。另一個(gè)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(guò)沖在可以接受的范圍之內(nèi)，可以保證不用改板。
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0 l6 a4 d7 S9 T( a; ~3 h, H4 X圖13 APL5910上電波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
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(cè)量得到的上電波形。由圖可知，VCNTL的上電過(guò)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(jìn)一步減小R102的阻值的話，過(guò)沖會(huì)進(jìn)一步減小，但同時(shí)VCNTL穩(wěn)定后的電壓也會(huì)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(gè)范圍，分析過(guò)沖產(chǎn)生的原因：在上電瞬間，LDO還沒(méi)有開始工作，VCNTL引腳對(duì)地阻抗很大，在LDO內(nèi)部電路開始工作之后，VCNTL對(duì)地阻抗瞬間減小，流經(jīng)分壓電阻的電流增大，

) Y% S$ \+ D8 |2 @6 [圖14 APL5910上電波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
. d4 z9 H2 l9 ^9 I: ~如果將兩個(gè)分壓電阻阻值同步減小，流經(jīng)R99的電流就會(huì)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(gè)思路出發(fā)，調(diào)整減小R99和R102的阻值，當(dāng)調(diào)整到R99=3.3KΩ，R102=2.2KΩ的時(shí)候，上電波形如圖15所示，VDD上電時(shí)過(guò)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(jì)要求，不會(huì)對(duì)芯片造成損壞。
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圖15 APL5910上電波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
/ u+ G  h1 I& }& M: H) W5 d分析過(guò)沖產(chǎn)生的原因：這里過(guò)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(méi)有產(chǎn)生跌落現(xiàn)象，開始上電之后POR啟動(dòng)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(dòng)之后，開始拉取電流，因?yàn)榉謮弘娐房梢蕴峁┑淖畲箅娏鳛?2V/（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(huì)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(gè)1uF的濾波電容。

4、問(wèn)題總結(jié)
# K9 ?1 D3 @1 q) t& J4 O% Z# \7 h僅以該文致敬曾經(jīng)趟過(guò)的那些坑，電路設(shè)計(jì)先吃透芯片手冊(cè)。