Causa de la alta tasa de fallas en el regulador reductor SC189

Tengo una placa pequeña que usa el regulador reductor SC189C para reducir 5 V a 3,3 V. Por alguna razón, entre el 25 % y el 50 % de estas placas han tenido fallas en el regulador de voltaje en algún momento, incluso de formas que han matado el microprocesador que se supone que alimentan (un ATSAMD21E18A).

En algunos casos, los reguladores han fallado con un cortocircuito interno. En otros casos, pierden la capacidad de regular bien, y he visto la frecuencia de conmutación en unos 40 kHz y también en 5 MHz cuando se supone que debe estar fija en 2,5 MHz. En ese caso específico, usar mi multímetro para sondear el voltaje en el pin de detección de voltaje de salida hace que la frecuencia de conmutación cambie entre los dos y la frecuencia de salida cambie con ella. En ambos casos, el pin de detección de voltaje de salida está "cerca" de los 1,2 V a los que se supone que debe ser conducido, pero apagado, a 1,18 o 1,25 V, y estable (sin timbre aparente) en estos valores. En otro caso, terminan dando una salida total de 1,7 V durante un tiempo.

Hasta ahora, simplemente he estado reemplazando muchos de los reguladores SC189C fallidos. Esto funcionó bien, pero estoy interesado en saber qué pudo haber causado las fallas en primer lugar, y si hay algún circuito adicional que pueda agregar para protegerlo. La hoja de datos parece implicar que son robustos con características de protección.

El consumo de corriente nominal del circuito es de 130-150 mA y estamos usando el paquete SOT23-5 con el diseño recomendado de la hoja de datos: https://www.semtech.com/uploads/documents/sc189.pdf

Input capacitance: 10 uF
Inductor: 1 uH, 55 mohm, 1.6 A (LQM2HPN1R0MG0)
Output capacitance: 22 uF, X5R
R_fb1: 17.4K, 1%
R_fb2: 10.0K, 1%
C_ff: 6.8 nF

Esquemático Tarjeta de circuito impreso

Lo siguiente es lo que veo con la sonda directamente a través de C10 cuando inserto el cable USB en una batería. Parece que no hace esto cuando inserto el cable USB en otras fuentes de 5V. El voltaje pico real allí es 6.76V.

Inserción Transitoria

Esta es exactamente la razón por la que desaconsejamos la revisión amplia y abierta del diseño o las preguntas de depuración aquí en EE.SE: las respuestas tienden a convertirse en largas cadenas de ediciones y/o comentarios no relacionados. Si bien esto podría ayudarlo con sus problemas inmediatos, no tiene ningún valor para el sitio en general. SÍ permitimos preguntas de revisión de diseño en las que explica sus opciones y luego se enfoca en algunos puntos sobre los que aún tiene dudas. Para tener una mejor idea de lo que es aceptable o no, busque "revisión de diseño" en el metasitio.
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Respuestas (1)

El principal problema era que el condensador de entrada era de cerámica con una ESR baja. Como se carga rápidamente en el arranque, la inductancia en el cable y en la fuente de alimentación de 5 V de la batería USB hace que el condensador sobrepase su voltaje hasta 6,7 ​​V+, lo que aparentemente puede matar al SC189 con la exposición repetida a este voltaje, ya que tiene un máximo absoluto de 6V.

La solución fue señalada por @mkeith y se aborda ampliamente en la nota de aplicación Los capacitores de entrada de cerámica pueden causar transitorios de sobrevoltaje

Al poner un capacitor electrolítico de 4.7 uF en paralelo con C10, los dos capacitores no pueden cargarse tan rápido y el electrolítico aparentemente comienza a absorber la carga que recibe el capacitor cerámico al arrancar, dándonos una forma similar a la anterior, pero a salvo. voltajes más bajos. Obtuve la siguiente figura, que muestra que se ha mitigado la condición de sobretensión. Dado que todavía existe el extraño comienzo no monotónico, probablemente debería usar un condensador más grande.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Entonces, ¿qué está pasando en ese gráfico con la doble subida? ¿El aumento inicial es mientras el ESL alto del electrolítico impide que el electrolítico absorba la carga, por lo que la cerámica se lo lleva todo? Entonces, ¿la pendiente negativa es cuando la corriente comienza a fluir a través del ESL electrolítico y los carga para que arrastren la línea hacia abajo y extraigan carga de la cerámica?