色谱仪点火丝不亮(低压大电流)分析解决
硬件工程师笔记 2023-03-16

一、背景

我们用到一个给点火丝供电的开关电源电路。电源芯片LMR14050(降压变换器),供电12~24V,输出2V 5A(点火丝约0.4Ω)。


在线色谱仪设备用此板卡时,为24V供电,点火丝能被正常点亮。便携设备为12V供电时,频繁出现点火丝无法被点亮,或者即使偶尔点亮,亮度也不够的问题。


二、解决

LMR14050的开关频率是可通过电阻进行编程的,所以把开关频率调高,如之前500K,调高到1M,问题解决。这样无论是12v还是24V供电时,点火丝都能够正常被点亮。批量测试正常。


三、原理

可以这样直观的理解,电感储能公式为E=1/2*L*I^2,在开关电源里,通过电感传递的能量为E=1/2*L*△I^2。因此,电感传递功率为P=1/2*L*△I^2*f,从公式中可看出,1.增加△I可以增加输出功率,所以24V可以但12V异常。buck中,△I=(vi-vo)*vo/(L*vi*f),可算出fsw=0.5MHz,24V时△I=1.667A,12V时△I=1.5125A。——增加△I(或者L),相当于每次传递的能量份数大了;


2.增加f也可同样达到此目的,相当于每秒钟传递的能量份数多了。



四、补充

原有问题的电路PCB设计也有问题,比如关键路径di/dt弄得非常长甚至没在同一层、包围面积非常大(导致较大的寄生电感),没有按照LMR14050的datasheet中layout guidelines去设计。后面我们重新设计了一版,参考了layout guidelines去设计,尤其注意缩短关键路径di/dt的长度和包围面积,关键节点dv/dt高干扰节点与易受干扰的高阻抗电压节点做了特别关注(如减小dv/dt铺铜面积以减小耦合干扰)。


我觉得主要是原电路对开关电源的layout处理的有些问题,才导致12V点火丝无法点亮:第一,因为按照伏秒积计算的话(未考虑二极管和mos管的导通压降),0.5MHz,12V输入,2V5A输出,按照纹波系数为0.4来,计算出的电感感值为1.66uH,比2.2uH要小,因此在CCM在手册提到可输出5A的模式;且电感峰值电流和有效值电流都符合要求。第二,重新布板的电路,即使在0.5MHz时也能够点亮点火丝(但16个板卡里12V时也有一个偶尔会不亮的情况,可能跟器件有关,同样调高频率正常),考虑裕量,还是把开关频率调高到0.7M,正常。


还有一点,12V供电给板卡时,如果供电线很细或者电源接插端子不牢靠,也会出现无法正常点火的现象。因为点火丝点亮瞬间需要较大电流,供电线端会有较大的压降,实际测得无法正常点火的电路板电源输入电压此时下降到约7V。


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