Condensador quemado y diodo Zener defectuoso en un circuito de potencia de conmutación

Tenemos algunos tableros con energía fallada. Algunas placas cobraron vida después de reemplazar un capacitor defectuoso (lata hinchada). Algunas placas se activaron después de reemplazar un diodo zener (creo que de alguna manera hicieron un cortocircuito a tierra. Mi colega lo tiró, así que no sé en qué condición estaba). Dicho capacitor, C101, y el diodo zener, ZD1, están ubicados en la esquina inferior izquierda del circuito SMPS que se muestra a continuación:

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Estos dos son vecinos, así que, naturalmente, creo que podrían fallar debido a la misma fuente. Sin embargo, no tengo idea de por qué fallaron. ¿Hay algún defecto de diseño en el circuito? Estos son un pequeño porcentaje de las placas en el campo, pero creo que debe ser algún problema de diseño que desencadena el problema de forma intermitente. Tenga en cuenta también que el condensador que murió en el campo tiene una clasificación de 50 V.

Aquí hay algunas medidas en Vtrans, Vdiode y Vzener. Vtrans (con carga en Panel_12V):ingrese la descripción de la imagen aquí

Vdiodo (con carga en Panel_12V):ingrese la descripción de la imagen aquí

Vzener (con carga en Panel_12V):ingrese la descripción de la imagen aquí

Vtrans ( sin carga en Panel_12V):ingrese la descripción de la imagen aquí

Vdiodo ( sin carga en Panel_12V):ingrese la descripción de la imagen aquí

Vzener ( sin carga en Panel_12V):ingrese la descripción de la imagen aquí

La forma de onda antes de D120 se ve así durante una carga típica en Panel_12V (se ve terrible pero no sé si es normal o no...):ingrese la descripción de la imagen aquí

La toma ampliada de la forma de onda antes de D120 se ve así durante una carga típica en Panel_12V:ingrese la descripción de la imagen aquí

La placa también emite un silbido (bastante fuerte, en comparación con otras placas con circuito de alimentación de conmutación que he visto). No sé si es relevante para la causa del condensador defectuoso y el diodo zener. Sin embargo, también es un problema que queremos resolver.

Encuentre la hoja de datos del SMPS IC, FSDM0465RB, aquí: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FS/FSDM0465RB.pdf

Probablemente no sea la causa de la falla, pero C109 tiene su extremo negativo conectado a GND, seguramente este debería ser Panel_GND. Parece que ha violado el aislamiento del transformador y el optoaislador.
@SteveG VDD_15V comparte el mismo terreno que U101. Se está utilizando en otra parte del circuito.
Aunque este es un circuito de baja potencia, también me pongo un poco nervioso por las conexiones a tierra de entrada y salida. El lado de alto voltaje debe tener un 'neutro' y una tierra protectora e incluso después de rectificar la entrada de CA (si este es el caso), mantendría la tierra protectora separada. Después de un puente de onda completa (requerido si no puede distinguir en vivo desde neutral), tendrá una caída de diodo entre la referencia de tierra y el riel negativo, hacer o asumir que son iguales es un error.
El diseño de referencia de Fairchild muestra un límite de acoplamiento de 10 nF entre la tierra de entrada y salida. Por lo tanto, el diseño del aislamiento primario es un factor clave.

Respuestas (2)

Debe colocar un alcance en el nodo entre el cátodo ZD1 y el extremo ++ de C101. Monitoree lo que sucede allí en todas las condiciones de rango bajo y alto del rango de voltaje del nodo VCC/340. Para cada condición de entrada, también varíe las cargas actuales en el PANEL_12V y el VDD_15V desde los niveles mínimos esperados hasta el máximo. También en cada una de las cuatro esquinas de prueba, encienda y apague el suministro varias veces.

Es probable que encuentre condiciones en las que se le pide a ZD1 que disipe picos de tensión o potencia significativos o niveles de tensión superiores a la clasificación del condensador C101.

¿La carga VDD_15V afecta el comportamiento del SMPS IC? Pensé que solo la carga en PANEL_12V es el factor principal aquí. Haré más mediciones en estas diferentes condiciones mañana. C101 que murió en el campo tiene una clasificación de 50 V (editaré la publicación para reflejar eso). Gracias.

Las especificaciones indican una corriente operativa máxima de 5 mA para U101, por lo tanto, evalúe su corriente Zener para detectar un exceso de voltaje del pin 7 del devanado a través de 100 ohmios.

El voltaje pico solo necesita ser de 13V a Vac min. y corriente 3~5mA promedio. por lo tanto, si está quemando Zener, ¿las relaciones de devanado son demasiado altas o el rango V de entrada es demasiado amplio?

U101 tiene una V máxima absoluta de 20 V

El silbido a menudo se debe a la falta de protección de aislamiento y al ruido de la corriente de iones (corona de corriente baja a un punto afilado).

Los transitorios de la línea eléctrica, PLT pueden ser un problema potencial. Por lo tanto, se debe considerar el aislamiento para pulsos de 3kV, 10us.

última foto indica 80Vpp es donde? transformador fuera? Si es así, la corriente es demasiado alta.

PLT es una prueba de estrés de calidad de energía IEC EN61010. http://www.wernermn.com/assets/files/PDF/Solution%20Expo/Presentations/PQ/PQ03.UsingTestEquipmenttoDetectandMeasurePowerQualityIssues.pdf

La clasificación de corriente de ondulación de C101 debe exceder el diseño, por lo tanto, la ESR baja porque la relación de vueltas del primario al zener es solo 5:1 de 340 V CC a 13 V hasta 100 OHm R101 es un pico de corriente demasiado alto 340/5~70 Vp/100 Ohm es una corriente de ondulación de 700 mA pp o 350mA rms y algunas tapas de 22uF solo están clasificadas para corriente de ondulación de 20mA rms.

He añadido algunas tomas de alcance. El voltaje en el diodo zener es de alrededor de 13 V en un escenario de uso típico. ¿O tal vez hay otras condiciones que necesitan más pruebas? ¿Podría dar más detalles sobre el "ruido de la corriente de iones" y los "transitorios de la línea de alimentación"? Gracias.
última foto indica 80Vpp es donde? transformador fuera? Si es tan actual a través de R129 no calcula a (80-13)/100
He añadido más medidas a la publicación. Écheles un vistazo y vea si son útiles para identificar el problema.
El fuerte silbido provino de C103, que es un condensador cerámico. Lo reemplazamos con un condensador de película y el nivel de ruido se redujo significativamente y se volvió aceptable.
También medimos la corriente que fluye a través de R119 con un multímetro. La lectura muestra un 8 a 9 mA. Esta es una lectura RMS y no refleja la gran oscilación de voltaje que se ve en el osciloscopio. ¿Es razonable suponer que el diodo zener es seguro?
sí, la cerámica es un material piezoeléctrico microfónico, por lo que con mucha corriente ondulada también puede silbar. Zener es seguro, pero tiene un exceso de potencia y el prefiltro RC de 2200us no funcionará con intervalos de pulso de ráfaga lentos. No regula bien sin carga. La ondulación de Zener depende de la corriente máxima, no de rms y, por supuesto, la potencia nominal de Zener afecta su diferencial Rs o Zs o ESR. MI pensamiento parece un regulador de eructos que resulta en inestabilidad como un oscilador de relajación lenta.
¿Cuál es la relación de vueltas de la bobina primaria a la zener?
Primario: bobina Zener = 72:14
hmm, la relación 5: 1 para el voltaje que va a la carga zener 26: 1 parece no coincidir, lo que resulta en un problema de estabilidad de regulación de voltaje. No sé lo óptimo para carga completa y sin carga, pero habría considerado una relación de giros de 15: 1
de modo que se minimice la ondulación de Vz y se evite la inestabilidad de baja frecuencia. ¿Qué es el voltaje de ondulación pp de entrada en 340Vdc?
¿Se supone que ZD1 debe funcionar en el modo de sujeción? ¿O es solo para proteger el pin Vcc de U101? Si está funcionando en el modo de sujeción todo el tiempo, ¿C101 se descargará a través de U101 y ZD1 cuando no haya corriente proveniente de la bobina? Si esto es cierto, una gran corriente puede pasar por ZD1 ya que no hay una resistencia limitadora de corriente entre C101 y ZD1. ¿Podría ser esta la causa de las fallas de ZD1 y C101?
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