降压开关模式电源中二极管故障的原因

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在基本的开关降压型LM2675稳压器设计中（如下图数据表所示），二极管短路故障（图中的D1）的主要原因可能是什么？

一点背景：

我工作的公司几年前设计了一种特殊电源，作为较大产品的一部分，该电源接受24V输入，并使用LM2675产生5V输出。二极管的类型为MBRS340（肖特基，3A，40V）。

客户退回了某些设备（带有这些电源设备），并且所有设备都有相同的故障：所有Shottky二极管均短路。

除了图中的电路之外，还有一个多晶硅保险丝，可将输出电流限制为0.9A，因此次级短路不应损坏二极管。通常，输出负载小于100 mA。

奇怪的是，电路的其余部分（5V部分）没有损坏，因此在更换了有故障的二极管之后它仍然可以工作。

当输入电压为24V时，工作二极管两端的波形如下所示，因此看不到异常的高压尖峰。

波形图

_{原始图像来源}

波形放大：

_{原始图像来源}

您是否有处理此类故障的经验？

diodes switch-mode-power-supply failure

— 安德烈
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您显示的所有内容看起来都很合理。您真的确定那些二极管就是它们声称的那样吗？查找从什么供应商那里购买。仔细检查标记。从工作单元中取出一个，并对其进行反向电压和持续正向电流测试。

— Olin Lathrop

安德烈，您找到解决此问题的方法了吗？我在工作的公司中的切换台有几乎相同的问题……这给我们带来了严重的问题。我们尚未找到解决方案。

1

原因仍然是个谜。我们两年前联系了一个外部实验室。他们用显微镜分析了一些损坏的二极管，并确认二极管由于过电压而死亡。在我们的应用中，5V输出（以及二极管）和主电源可能会遭受雷击或其他感应高压之类的高压浪涌并不少见。因此，这就是我们告诉客户的事情，并且在过去两年中我们再也没有收到过案件。但是奇怪的是，在所有情况下，只有二极管死了，而没有别的。

— 安德烈

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维修完退回的设备后，请使用短的10：1示波器探头（直接连接尖端并使用很短的接地线）在肖特基上仔细观察示波器的波形，并且对质量（100MHz或更高的数字存储）没有带宽的限制首选）范围。

从EE.SE的其他地方借来的简短探查示例：

在此处输入图片说明

您要寻找的是电压波形前沿的高电压（尖峰或振铃）。任何时候切换感性负载，都有可能产生高压-除非您仔细寻找（即，使用短探头和良好的示波器），否则看不到它。您的布局将对整个肖特基是否会令人讨厌产生很大的影响，因此请确保采取措施。

如果最终发现难看的东西，则可能需要在肖特基两端引入RC缓冲器，以防止二极管雪崩。

在此处输入图片说明

— 亚当·劳伦斯
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我按照您的建议进行了测量，但二极管两端没有高压尖峰。二极管两端的最大电压确实是24V的输入电压。

— Andre

您可以发布波形吗？

— 亚当·劳伦斯

主帖子中包含的波形。

— Andre

+1。很可能二极管被尖峰了，所以检查起来很不错。

— 自闭症

缓冲是个好主意。我将在以后的电源重新设计（以及其他电源）中包括此RC网络。

— 安德烈

4

这只是一个健康检查...

您的输出功率表示为5 W，并且由于切换器的工作频率为260 kHz，因此每个周期传输的能量为：-

$\dfrac{5\mathrm{~W}}{260,000} = 19.2\mathrm{~\mu J}$ 。

为了从47 uH电感器中释放能量，需要以下“充电”电流：-

$\sqrt{\dfrac{2\times19\times 10^{-6}}{L}}= 0.905\mathrm{~A}$ 。

对于3A的二极管，该二极管能够提供80A的非重复峰值，这听起来并不过分。

该切换器完全有能力将占空比降低到0％，因此我看不到这与事情有任何关系。多熔丝可能是个问题-确定是否可以？你有测试过吗？

我怀疑您可能有一批坏二极管，或者您还没有意识到其他一些注意事项。上周，我突然遇到了几个400 V二极管，它们完全没有压力。也许这对二极管来说是糟糕的一周！

— 安迪（aka）
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啊，幻影降落者再次来袭！

— 安迪（aka）

幻影升级者反击。

— 罗素·麦克马洪

多熔丝还可以。如果我故意通过将5V输出连接到GND进行短路，则电流限制为1,4A。没有什么被摧毁。

— Andre

@russellmcmahon哈哈

— Andy aka

2

可以肯定的是，随着温度的升高，硅的前向压降会下降，但整体电阻会上升。使用shot击时必须认真对待热失控。如果年龄足够大，可以在锗晶体管上割断齿，那会很好的。记住带隙在同一个球场上。那么对于您的问题，您的二极管很酷吗？如果您可以通过任何方式从外部对SMPS进行加热并且二极管过早死亡，那么您将有一个线索。请记住，二极管的散热或热阻抗必须低于您的想象。使用更高电压的二极管可能会快出监狱卡了。请记住，带隙在同一范围内。那么对于您的问题，您的二极管很酷吗？如果您可以通过任何方式从外部对SMPS进行加热并且二极管过早死亡，那么您将有一个线索。请记住，二极管的散热或热阻抗必须低于您的想象。使用更高电压的二极管可能会快出监狱卡了。请记住，带隙在同一范围内。那么对于您的问题，您的二极管很酷吗？如果您可以通过任何方式从外部对SMPS进行加热并且二极管过早死亡，那么您将有一个线索。请记住，二极管的散热或热阻抗必须低于您的想象。使用更高电压的二极管可能会快出监狱卡了。

— 自闭症
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这就说得通了。在将来的重新设计中，我可能会使用MBRS340的大兄弟MBRS360。

— 安德烈

1

您的输入被标记为8V至40V。您的肖特基二极管将在切换期间看到输入电压。如果您的输入确实可以达到40V，那么您的肖特基应为60V额定或至少50V额定。

开关电流限制也为1.5A。看来您的客户输入端必须施加超过24V的电压。肖特基需要一个健康的电压裕度，否则它们将使泄漏反向并变热。

— 用户31000
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我确实可能会进一步调查。初级侧由串联的扼流圈保护，以保护电源免受突发/电涌情况的影响。在24V输入和GND之间还连接了一个压敏电阻。根据数据手册，压敏电阻在电压达到约47V之前不会跳闸。但这对于LM2675和二极管来说太大了。

— Andre

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我认为多晶硅保险丝0.9A的问题可能是PTC保险丝的保持电流。实际跳闸电流可能高出此数据表 2到3倍也很重要，要注意跳闸时间，他们将故障电流指定为1.25，这比保持电流大5倍，而我通常将其视为跳闸电流指南。最可能的情况是，在保持电流为0.9A的情况下，您的故障电流将为4.5A，但是LM2675将使用其内部电流限制（最大为2.2A）来限制电流，该电流将永远不会使PTC跳闸。因此，在发生故障时，二极管将耗散大部分功率，如果二极管没有良好的散热，则它很可能会发生故障，而LM2675仍会因为内部热关断而不受影响

— 克韦高罗
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本应用中使用的多晶硅保险丝是RUEF090，其跳闸电流为1,8A。二极管的焊盘周围有一个巨大的铜层，因此我认为过电流不会破坏二极管。

— Andre

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过电压尖峰会导致肖特基短路（SMPSU已有多年经验）。如果您查看具有更高带宽范围的波形，将会看到它们。100 MHz频率还不够好，建议最小显示500 MHz。根据建议使用缓冲器或更高的额定电压。

我意识到这已经很晚了，但是可以帮助其他人，就像我一样找到线程。

— D139
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