地弹引起1%的产品无法启动

一路上

前言

很多读者都应该听过地弹，但是实际遇到的地弹的问题应该很少；本案例就是一个地弹现象导致电源芯片工作不正常的案例。

定位问题

如下图1 ，产品其中一个供电是12V转3.3V的电路，产品发货50K左右以后，大约有1%的产品无法启动，经过解耦定位，问题出在下图中的电源芯片。

图1 12V 转3.3V电路

原因分析

经过分析，问题最终定位在与PCB的布局和布线有关，其中涉及一个重要容易忽略的技术：地弹。如下图，左图是芯片内部的原理框图，右图是实际PCB中的布局图，在高频开关电源中，提供能量来源的有两个器件：输入电容Cvin和电感Lbuck；

1.当高端开关闭合，低端开关断开时，电流的路径如红色箭头所示；

2.当高端开关断开，低端开关闭合时，电流的路径如蓝色的箭头所示。

图2 芯片内部的高低开关（左图）、实际的工作示意图（右图）

根据电磁感应定理：e=-dФ/dt=-d(Li)/dt=-Ldi/dt，由于红色和蓝色的环路面积变化较大，最终的体现会在低端开关和Cvin之间产生感应电动势。

厂商内部手册中显示，电源芯片满足以下两个的条件，就可以进入测试模式，测试模式下，电源芯片不工作，电源无输出。

（1）pin5 引脚FB 电压大于3V；
（2）pin6引脚COMP电压小于-0.5V；

我们实际设计的PCB示意图如下图所示：

环路1由Cvin、高端开关、L、Cbuck、负载组成，环路2由Cbuck、负载组成，环路3由低端开关、L、负载组成。其中环路面积变化A最大，同时电流突变最最迅速，实测引脚6 COMP 最高可达到-0.6V。如果FB引脚耦合的干扰达到3V，是可以将芯片进入到测试模式的，导致无法输出。

解决方案

问题的原因主要时两种开关状态时的环路面积不一样，导致感应电动势变化太大，导致芯片内部的逻辑混乱。重新布局后的措施如下：

1.将输入电容、高低端开关尽量在同一水平线；

2.将输出电容和负载尽量靠近用电端，消灭上图中的环路2导致的变化。同时可以应付用电设备的突发电流，突发电流大部分由输出电容供电，而不是通过电源芯片转换而来；

3.重新布局后的环路面积变化=变化的长度 X 板厚度。板厚为2mm，此时的面积变化基本可以忽略不计。

总结

对于DCDC电源芯片，厂商不会对外公布其内部的具体逻辑电路，但是有一点可以肯定，高低开关两种不同的状态导致的环路面积变化，如果没有处理好，产生的地弹会影响内部逻辑，使得进入不确定的工作状态。关于地弹的更多内容请看：接地反弹的浅谈。