El convertidor reductor funcionó durante más de 1000 ciclos de inicio/parada con energía de la fuente de alimentación de CC regulada, falló con la batería de iones de litio

Tengo un proyecto que utiliza un convertidor reductor de TI ( LMZ14201 ) para reducir un voltaje de entrada (hasta 41 V) a 5 V regulados. Hasta ahora, había utilizado con éxito una fuente de alimentación de CC ajustable (regulada) para las pruebas. En esa configuración, el convertidor reductor funcionó de maravilla.

Hoy procedí a ensamblar el sistema completo (es decir, usando un paquete de baterías de iones de litio, 36V, como entrada para el convertidor reductor). Para fines de prueba, conecté además un interruptor entre los rieles positivos de la entrada del dólar y la batería.

Sin cambiar nada más, el convertidor reductor falló (produjo chispas debajo del paquete; ¿almohadilla térmica/GND?) la segunda vez que conectó la batería. ¿Cuál podría ser el problema aquí?

  • Seguí diligentemente el diseño recomendado que se muestra en la hoja de datos del convertidor DCDC
  • Probé voltajes de hasta 41,6 V con la fuente de alimentación. El paquete de baterías antes mencionado tenía 36 V (voltaje nominal aproximado), la fuente de alimentación tiene una clasificación de hasta 42 V (recomendado) y 43,5 V (abs. máx.) respectivamente
  • La capacitancia de entrada conectada al convertidor reductor es 3x4.7uF. Aparte de eso, no había elementos de filtro de entrada que separaran el paquete de baterías y el convertidor.

¿Podría la posible corriente de entrada (causada por los condensadores de conmutación/entrada), junto con la inductancia parásita/parásita, ser la culpable aquí? En caso afirmativo, una solución viable sería un limitador de corriente NTC en serie. ¿Qué otras causas podría tener esto, aparte de la falla aleatoria de una pieza?

ACTUALIZACIÓN: Este problema es reproducible. Cambiar el retraso de inicio suave a 10 ms tampoco ayudó. Logré capturar el voltaje transitorio en la terminal de la batería. El voltaje de la batería es de aproximadamente 37 V, pero parece subir a 50 V tan pronto como se conecta el DCDC a la batería. Por lo tanto, ya no se cumple la clasificación máxima absoluta de 43,5 V.

Captura de alcance de voltaje de batería

Esto no parece suceder solo con las tapas del filtro de entrada conectadas, sino solo cuando las tapas del filtro de entrada y el IC del convertidor CC/CC están conectados.

Las chispas debajo del paquete suenan sospechosas. Podría ser un problema de soldadura. No debería necesitar un NTC con esta parte, solo use el capacitor de arranque suave externo.
Se conectó la tapa externa de arranque suave. Lo soldé mediante reflujo y una plantilla cortada con láser para la pasta de soldadura; de cualquier manera, las conexiones parecían (al menos parecían) perfectas.
¿Cuál es la carga en la salida del convertidor reductor? ¿Cuál es el consumo de corriente continuo esperado en ese riel de 5V? Como John sugirió en su respuesta, creo que fue solo una corriente masiva suministrada por la batería de iones de litio que normalmente no se obtiene o no se puede obtener de los suministros de banco.
Parte de la carga es capacitiva, pero la carga continua (máxima) en el riel de 5 V es de aproximadamente 100 mA.
La principal diferencia entre una fuente de alimentación de banco y una batería (especialmente una de iones de litio) es que no hay protección que le impida entregar 100s de A si se produce un cortocircuito o provoca esa condición. Las celdas vendidas comercialmente deben tener un circuito incorporado para proteger OVP/OCP/UVP, pero sus celdas sin procesar podrían hacerlo ahora.
¿A qué distancia del convertidor está la batería? El voltaje que ve podría deberse a la inductancia del cable y podría resolverse con un amortiguador.
@PeterSmith Aproximadamente 15 cm, así que no demasiado lejos
Esto realmente me parece una irrupción inductiva, intente agregar un limitador de irrupción como sugirió.
De cuantas celdas es la bateria? "36V Nominal" podría ser 10 celdas, o 42V completamente cargada y más alta que su voltaje de prueba. Eso sería bastante marginal.

Respuestas (2)

Entiendo por qué ves la caída rápida inicial, porque los electrodos de la batería son bastante complejos eléctricamente:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

En la aplicación de la carga, se forma un EDLC en los electrodos y la capacitancia puede ser enorme: 60 μF a 100 μF no es inusual (las placas efectivas están literalmente separadas por Angstroms) con un ESR de submiliohmios y eso le brinda un diferenciador muy efectivo al principio. carga transitoria de la batería en una carga pesada.

Una vez que se ha formado el EDLC, deja de conducir y la única resistencia es la ESR de los propios electrodos de la batería. A medida que los terminales vuelven a estar limitados solo por la carga y la ESR interna, puede haber un efecto inductivo (después de todo, la autoinducción existe en cualquier lugar donde fluya la corriente, en mayor o menor grado).

Su forma de onda parece una resonancia amortiguada, por lo que un amortiguador apropiado puede funcionar.

Puede ver cómo se forman los EDLC en los electrodos de la batería en este documento .

He visto este efecto varias veces y fue bastante confuso la primera vez que apareció (en un circuito activado por agua de mar).

Este modelo de electrodos combinado con inductancia parásita parece describir perfectamente el fenómeno que estoy viendo.

Las baterías pueden proporcionar corrientes de un orden de magnitud mayor que el suministro de su banco. Posiblemente, el suministro de su banco le estaba dando un "arranque suave" al limitar la corriente durante el arranque. ¿Implementaste el arranque suave? Esto es especialmente importante cuando la fuente de alimentación está bajo carga en el arranque.

Eso es lo que pensé en el primer momento también. No implementé un mecanismo de arranque suave personalizado o una limitación de corriente para mi convertidor reductor, por lo tanto, la pregunta es si ese es el caso. La fuente de alimentación, por otro lado, puede hacer CV y ​​CC, así que supongo que tiene esa característica.
Me gustaría señalar de la sección 8.2.2.1.3 en la hoja de datos: El uso de 0,022 μF da como resultado un intervalo de arranque suave de 2,2 ms, que se recomienda como valor mínimo . Siempre implemento el arranque suave, incluso cuando creo que puede no ser necesario.
Si su carga es capacitiva, su convertidor intenta entregar alta corriente durante el arranque. Si verifica su capacitancia de carga, puede determinar la corriente de carga requerida. El voltaje de salida aumentará más lentamente en sus condensadores si hace un arranque suave, así que configúrelo de modo que la corriente de entrada más la corriente de carga estén dentro del rango de su inductor mientras se cargan los condensadores. Una vez que estén cargados, estarás bien.
Oh lo siento. Estaba pensando en un mecanismo de arranque suave personalizado en serie con el convertidor reductor. Seguramente conecté la tapa SS para el arranque suave interno.
@PeterSmith Gracias por señalar el valor mínimo recomendado. Acabo de verificar mi configuración y me di cuenta de que había usado un capacitor de 4.7nF (aunque esto se basó en un diseño del sitio web de TI, podría enviarles una pista). No puedo creer que me perdí eso. Intentaré aumentar la capacitancia SS.
No se siente como una razón para producir chispas. El voltaje produce chispas, la corriente puede quemar algo, pero generalmente no lo hace, incluso con cientos de amperios en un período corto no se quema. ¿Cuál es la capacidad de carga?
@GregoryKornblum Acerca de 110uF
El convertidor reductor funcionó durante más de 1000 ciclos de inicio/parada con energía de la fuente de alimentación de CC regulada, falló con la batería de iones de litio
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