地弹现象导致DCDC电源芯片工作不正常案例分享
一、 摘要
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dcdc电源芯片的案例。
二、 问题描述
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
三、原因分析
经过最终的分析，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。
什么是地弹
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。
图3； 较差的布局产生3个环路
图4； 较差的布局产生3个环路
四、 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。
图5； 优化布局，环路变化基本可以忽略不计
五、 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。
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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dcdc电源芯片的案例。
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图1； 12v 转3.3v电路
三、原因分析
经过最终的分析，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。
什么是地弹
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。
图3； 较差的布局产生3个环路
图4； 较差的布局产生3个环路
四、 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。
图5； 优化布局，环路变化基本可以忽略不计
五、 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。
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