【硬件调试】RT9018A上电故障问题分析

硬件电子工程师

【摘要】
0 B( R5 c* {' v本文介绍了曾经趟过的那些坑之DCDC调试。在调试过程中，遇到的RT9018电源芯片的上电故障的分析、定位和解决方法，对产生的故障的原因和解决问题的思路做了简要介绍。
1、问题现象
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图1 RT9018及其外围电路
% w$ v$ q: D5 o$ u5 K如图1所示为RT9018及其外围电路，在单板设计中，使用1.8V作为输入和使能信号，VDD是芯片内部控制电路的输入电压，采用两个分压电阻分压出5V输入到VDD。起初在设计时，没有考虑到RT9018芯片VDD引脚的对地阻抗，认为使用7.5K和5.11K电阻对12V分压即可产生5V电压。但是实际上RT9018启动之后，会在VDD拉取一定的电流，使得电位下降，如图2所示为VDD输入电压和输出电压的上电波形，可以看出，VDD上电过程中一个跌落，而且上电完成之后，分压只能达到3.72V，而且有明显的跌落，RT9018无输出。
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* t- j% `* y' y! T/ I0 n" w* R1 ~6 }图2 RT9018上电波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
2、问题分析
3 m" b1 m) \8 E; X1 t查阅RT9018规格书，如图3所示为RT9018的内部逻辑框图，可以看出，VDD引脚的输入电压用于控制内部电路的POR，连接到内部的上电复位电路（Power On Reset），并为内部电路提供一定的电流。VDD引脚可以承受的电压范围在3~6V，正常条件下推荐的输入电压为3.6~5.5V。
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图3 RT9018的内部逻辑框图

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图4 VDD输入电压要求
" k# Z$ o& \, w为了解决VDD分压输入不正确的问题，首先考虑调分压电阻，保持R99阻值7.5KΩ不变，将R102调整为9.5KΩ之后，如图5所示可以正常输出5V电压，但是有明显的跌落现象，从5V跌落到2.5V左右，而且RT9018仍然没有电压信号输出.
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% G  X  Y; y' k' I: u0 ~! Y6 @图5 RT9018上电波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
3 i2 J8 _# B7 o& \9 _" P6 b5 }分析VDD跌落产生的原因：VDD输入电压为内部POR电路提供电流，根据分压电阻计算，VDD能提供的电流为12V/(7.5K+9.5K)=0.7mA，根据Richtek方面反馈，VDD正常工作需要的最大电流值为5mA，现在能提供的电流远小于正常工作需要的电流，当电流被内部电路抽走之后，在R102上的分压就会下跌，查阅规格书，如图6所示，POR开启电压的临界值为2.7V，迟滞电压为0.2V，也就是说VDD高于2.7V开始使能，但低于（2.7-0.2）=2.5V时，芯片开始关闭。所以在我们看到的波形里，当VDD因为POR电路抽走电流导致电压下跌，当下跌到2.5V时，POR开始关闭，然后VDD又回到预设的分压值5V，使POR电路重新打开，这种现象不断重复，具体表现就是如图2和图5中的情况。
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- u/ S6 C  ^. U+ s, D图6 POR开启电压和迟滞电压
分析VDD上电过冲产生的原因：因为采用R99=7.5KΩ和R102=9.5KΩ分压，所以VDD上获得的分压为12*9.5（7.5+9.5）=6.7V，在上电瞬间，RT9018还没开始工作，内部电路不需电流，VDD上的分压可以拉到6.7V，RT9018开始工作之后，内部开始拉取电流，产生的跌落现象就和图2是一样的，具体原因也是一样的。

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如图7所示为规格书中，VDD与VOUT之间的瞬变响应特性，左右分别为在负载电流0A和2A情况下，VOUT随VDD变化的动态响应特性，由图可知，在VDD瞬变过程中，VOUT会产生一定的跌落和毛刺。观察这个图，可以不难理解图2和图5中为什么没有电压输出了，在VDD获得分压5V的情况下，流经R99的电流为（12-5）V/7.5K=0.93mA，VDD从5V跌落到2.5V左右，由于VDD能提供的电流太低，动态响应能力太差，所以输出端无法正常输出1.5V电压。
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, p" \9 h( V1 f' z3 j; D( B图7 RT9018动态响应特性
3、问题解决
1 K, P% n) v1 H后来发现在规格书，推荐的电路中，如图8所示，VDD输入端有一个接地的滤波电容，考虑到图2和图5中的VDD输入电压波形跌落是因为不能提供工作电流需要，而分压获得电流的续流能力不够，才导致跌落的，在这里接滤波电容的话，可以增强VDD输入端的续流能力。如图9所示，在VDD输入端焊接一个对地并联电容之后，VDD输入电压和RT9018的输出电压波形，可以看出，VDD在上电过程中有明显的震荡，但是因为电容的存在，这个跌落周期更缓慢，在大概240ms之后VDD上电波形趋于平稳，而且输出电压可以正常输出。
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图8 RT9018典型应用电路图

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# x6 M( h3 C; K& p/ U$ H+ ~  K5 z图9 RT9018上电波形（通道1-VDD，通道2VOUT）
6 e" W$ p1 t0 O2 [* {分析震荡产生的原因：上电之后对电容充电，同时内部POR电路开始拉取电流，由于两个过程同时进行，电容一方面要充电另一方面还要为POR电路提供续流，而POR所需电流也不是一个稳定值，这样电容在开启阶段反复的充放电，具体表现就是一个震荡的波形。另外由于R102和1uF电容组成的回路要给POR电路提供续流，所以虽然分压电阻没变，相比没有滤波电容的情况，这里得到的分压也会相对更小。
" o2 k/ ~: x% ^/ c在VDD输入端焊接滤波电容的话不仅上电波形不理想，而且需要改版，在不改版的前提下，我们找到了一个替代的方案。如图10所示为APL5910的典型应用电路，它的封装和RT9018是一模一样，其中VCNTL相当于RT9018的VDD引脚，为APL5910内部的控制电路提供电流。如图11所示，VCNTL可以承受的极限电压为-0.3~6V，正常工作电压为3.0~5.5V。
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  l! m( G7 p6 l  a1 u4 a) |9 L图10 APL5910的典型应用电路

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图11 VCNTL输入电压范围

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图12 VCNTL电流需求
/ p. r- h1 a! a如图12所示为VCNTL正常工作下需要提供的电流典型值为1.0mA，在芯片关闭时需要提供的电流为20uA，按照单板原来的设计，VCNTL引脚是可以提供1mA的电流的。于是在原来的单板的基础上，取下RT9018，焊接APL5910，分压电阻R99阻值7.5KΩ，R102阻值9.09K欧姆，测量VCNTL输入电压和输出电压的波形如图13所示。APL5910输出端可以正常输出1.5V电压，但是问题是VCNTL的上电波形有一个很大的过冲，而且这个过冲已经超过VCNTL能承受的最大电压6V，长时间工作必然造成单板故障，为了解决这个问题，有两种设想：一是按照规格书的推荐，在VCNTL引脚加一个1uF的滤波电容，可以消除过冲。另一个方法就是调整分压电阻，在APL5910可以正常输出的前提下，如果过冲在可以接受的范围之内，可以保证不用改板。
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" C2 c1 @$ a4 i; Z2 }4 c; [图13 APL5910上电波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
/ }! R% N9 J) _4 B. l! ?+ x. P尝试将R102更换为更小阻值，如图14所示为R99阻值7.5KΩ，R102阻值7.5KΩ的情况下测量得到的上电波形。由图可知，VCNTL的上电过冲仍然存在，但是已经下降到6.2V，稳定后VCNTL的输出为3.08V，如果进一步减小R102的阻值的话，过冲会进一步减小，但同时VCNTL稳定后的电压也会减小，由图12可知VCNTL正常工作的电压范围在3-5.5V之间，为了不越出这个范围，分析过冲产生的原因：在上电瞬间，LDO还没有开始工作，VCNTL引脚对地阻抗很大，在LDO内部电路开始工作之后，VCNTL对地阻抗瞬间减小，流经分压电阻的电流增大，
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  ^. G, x' t" c& k/ Y图14 APL5910上电波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
如果将两个分压电阻阻值同步减小，流经R99的电流就会增大，在分电阻比值不变的情况下，流经R99的阻值越大，电流值越大，在R99电阻上的压降也就越大，由于上拉电压12V是一定的，那么R99的压降越大，那么VDD上的输入电压也就越小。从这个思路出发，调整减小R99和R102的阻值，当调整到R99=3.3KΩ，R102=2.2KΩ的时候，上电波形如图15所示，VDD上电时过冲最大值为5.0V，稳定后输出为3.2V，满足规格书中的设计要求，不会对芯片造成损坏。
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) r5 e% `3 [4 n9 H图15 APL5910上电波形（通道1-VCNTL，通道2VOUT）
分析过冲产生的原因：这里过冲产生的原因和RT9018是一样的，不同的是APL5910内部POR电路需要的最大电流为1.5mA ，所以没有产生跌落现象，开始上电之后POR启动之前，在VDD上获得分压为12V*(2.2 KΩ)/（2.2 KΩ+3.3 KΩ）=4.8V，内部POR电路启动之后，开始拉取电流，因为分压电路可以提供的最大电流为12V/（2.2 KΩ+3.3KΩ）=2.2mA，能完全满足POR电路的需求，但是在R102上的分压会减小，如图15所示只有3.72V，如果改版的话还是建议在R102处并联一个1uF的滤波电容。

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# v. |% J7 ?: G6 ?4、问题总结
- _% z2 X* w& f1 h  B5 G" \仅以该文致敬曾经趟过的那些坑，电路设计先吃透芯片手册。