Misterio de falla del convertidor Buck DC-DC

Soy ingeniero de software, así que disculpe mi gran ignorancia sobre este tema. Estamos tratando de averiguar por qué nuestros convertidores CC-CC a veces fallan y dejan de generar energía después de aproximadamente un mes de funcionamiento.

Por favor, consulte el dibujo. A continuación se muestra también una breve descripción textual del dibujo.

diseño de componentes de potencia

Utilizamos un inyector de alimentación PoE pasivo de 48v/1A para introducir 48v en el sistema. Por lo que sabemos (medido con un multímetro), parece proporcionar una salida estable con diferentes cargas. Luego dividimos esa potencia de dos maneras: una en un reductor de 5v/3A y otra en un reductor de 12v/2A. El convertidor de 5v alimenta una tableta PC (aprox. 10 W nominales / 15 W de carga máxima) y el convertidor de 12 V alimenta una batería (aprox. 15 W nominales / 22 W máximo). Tenga en cuenta que la batería tiene un controlador de carga diseñado a medida para autolimitar su consumo de energía a < 2A. Además, creo que los convertidores son más del 95% eficientes (si el proveedor dice la verdad).

Hemos utilizado convertidores CC-CC de diferentes proveedores, algunos con capacidades de carga de salida aún mayores, y todavía experimentamos fallas intermitentes. Parece que tenemos alrededor de 1 falla de cada 10 por mes.

También hemos intentado usar un diodo entre la batería y el convertidor de 12v (para garantizar que el voltaje no se retroalimente al lado de entrada del convertidor de 12v desde la batería). Esto no pareció hacer ninguna diferencia. También verifiqué que la tablet PC NO está retroalimentando su convertidor.

Entonces, mi pregunta inicial: ¿Hay algo obviamente/inherentemente malo en la forma en que estamos haciendo esto, o en los componentes que estamos usando? Todo lo que realmente sé es el presupuesto de energía y que debemos mantenernos muy por debajo de él (como el 80% o menos del máximo).

Si algo de esto no está claro, ¿hay alguna otra información/prueba que pueda proporcionar?

ACTUALIZACIÓN #1: La longitud del cable de alimentación puede ser de hasta 100 m, pero generalmente usamos menos de 5 m (cobre Cat-5e o mejor).

ACTUALIZACIÓN #2: Es difícil obtener las especificaciones sobre los componentes reales en formato de hoja de datos, pero las imágenes de especificaciones a continuación son lo mejor que puedo hacer por ahora.

ACTUALIZACIÓN #3: He incluido fotos de medidas de osciloscopio en el lado de 48v, más abajo. Realmente no tengo ni idea de cómo usar correctamente este dispositivo, así que simplemente conecté la tierra al PoE/48v negativo y la sonda al PoE/48v positivo. Luego simplemente presioné el botón "automático" en el alcance.

La primera imagen es para el convertidor de 12v...especificaciones de 12v

Las siguientes imágenes son para el convertidor de 5v...5v especificaciones 1 de 3 5v especificaciones 2 de 3 5v especificaciones 3 de 3

Esta es la lectura del osciloscopio en el lado de 48v, sin convertidores de CC conectados (sin cargas de ningún tipo), como referencia:Lectura bus 48v sin nada conectado

Esta es la lectura del osciloscopio en el lado de 48v, con solo el convertidor de CC de 5v conectado (y su carga, la tablet PC, conectada):Lectura de bus de 48v con solo un convertidor de 5v cargado conectado

Y solo por diversión, esta es la lectura del osciloscopio en el lado de 48v, con OTRA marca de convertidor de CC de 5v conectado (con la carga de la tableta conectada):Lectura bus 48v con otra marca cargada conectada

Debe incluir enlaces a (hojas de datos de) convertidores DCDC para que podamos comprender correctamente qué son. También la foto muestra un cable ethernet corto . En su configuración real, espero que ese cable sea mucho más largo. ¿Es eso así? ¿Cuánto mide ese cable?
¿Es un amplificador de clase D? ¿Cuánta energía usa eso?
¿Qué DC-DC está fallando? ¿Has abierto alguno de los DC-DC para ver qué salió mal?
@smajli OP afirma: Soy ingeniero de software, así que disculpe mi gran ignorancia sobre este tema. entonces puedo entender completamente por qué no se hizo esa investigación y simplemente se reemplazaron los convertidores DCDC. Y personalmente respeto eso incluso más que tratar de encontrar la causa sin tener la menor idea de cómo funciona un convertidor DCDC.
@Bimpelrekkie: actualicé la publicación para responder a Bimpelrekkie lo mejor que puedo actualmente. También agregaré que hemos probado la caída de voltaje con cables de hasta 100 m, y solo perdimos 2-3 voltios. Esa es parte de la razón por la que optamos por un voltaje más alto (48v en lugar de, digamos, 24v). Pero los convertidores están especificados para un amplio rango de entrada, ¿es eso realmente un problema? Hemos visto las fallas con cables largos y cortos. Principalmente proporcioné el cable muy corto como ilustración y para que encajara en la foto.
Como una puñalada salvaje en la oscuridad, sospecharía una sobrecarga de voltaje de entrada transitoria y pondría un diodo TVS en la entrada al convertidor DC-DC. Sin embargo, es difícil saber qué está pasando realmente sin mucha más información.
Usted dice que la batería "tiene un controlador de carga diseñado a medida para autolimitar su consumo de energía". Empiezo a sospechar que este controlador no funciona tan bien como crees. Muéstranos los esquemas.
Encontré un enlace al sitio web del fabricante/vendedor: yucoo.en.alibaba.com/productgrouplist-807018122/… ¿Es esto lo que estás usando? Estos están "sellados", por lo que no hay mucho para ver lo que hay dentro.
@ Sin importancia: no lo sé. Pero es alimentado por la batería. ¿Crees que el amplificador podría tener algún tipo de impacto?
@smajli: Ambos convertidores fallaron en los últimos meses. Pero tal vez experimentemos más fallas con el convertidor de 12v últimamente, ya que hemos pasado a usar un convertidor de 5v de voltaje ligeramente más alto (5v a 5.5v). Además, intentamos abrir uno y es resina sólida, por lo que no tenemos idea de cuál fue el modo de falla.
Mi idea es que el problema no está en el lado de salida de los convertidores DCDC porque: ambos fallan y tienen cargas muy diferentes . Sospecharía picos/resonancias en los cables que pueden causar condiciones de sobretensión breve. Sin "diseccionar" un convertidor DCDC fallido, no hay mucho por hacer aquí :-( La única solución que veo es buscar convertidores DCDC más robustos, sin embargo, no tengo idea de cómo encontrarlos y pueden ser costosos.
@Bimpelrekkie, creo que entiendo su idea... dado que los convertidores reductores funcionan con pulsos (¿no?), hay muchas oportunidades para introducir oscilaciones y resonancias en el sistema. Esos podrían estar causando estragos entre los dos convertidores (en el lado de entrada). Tenemos algunos diodos con los que podemos comenzar a probar, pero no estoy seguro de si son específicamente de la variedad "TVS" de la que estás hablando.
Todos, tengo un alcance a mi disposición... ¿algo que pueda hacer para aprovechar eso y comprender mejor la situación? Advertencia: soy un novato de alcance total.
@Bimpelrekkie, he agregado más resultados de pruebas. ¿Tiene sentido para su experiencia? Creo que podría estar en el camino correcto con su idea anterior sobre picos y resonancias. ¿Qué opinas?
pruebe con un amortiguador: 1 uf en serie con una resistencia de un ohm; coloque esa red a través de los 48 voltios; use una tapa de película de alto voltaje
Esos picos parecen demasiado pequeños para causar daño. Tendrían que ser un par de voltios, como 5 V o más para empezar a sospechar de ellos.
@Bimpelrekkie, veo una variación de hasta 3v. Me pregunto si eso, combinado con el tiempo y las piezas chinas mediocres, podría estar acelerando el fracaso. Intenté colocar un capacitor de .1uf a través de los conductores en el lado de 48v del convertidor de 5v, y la señal es mucho más limpia (solo una variación de 1v).
Yo caracterizaría el cable trayendo V i norte al convertidor dc-dc. La resistencia de entrada incremental de un convertidor dc-dc operado en lazo cerrado es negativa. Combinado con un cable no amortiguado altamente inductivo, puede generar inestabilidades. Es un fenómeno bien conocido. Si su dc-dc presenta una alta relación de rechazo de línea de entrada, es posible que no vea oscilaciones de salida, pero la entrada puede oscilar mucho, especialmente durante los transitorios. Usted supera estos problemas amortiguando el cable en la entrada de CC-CC a través de un dedicado R C red: la R AC amortigua el cable mientras el C dc-bloquea el sesgo.

Respuestas (3)

Una posibilidad es que sus convertidores CC/CC se sobrecalienten o que su vida útil se acorte al operar a alta temperatura. He visto capacitores clasificados para 3000 horas a 80 °C, por lo que no es una locura pensar que este podría ser un modo de falla esperado para un capacitor de entrada o salida. ¿Puede comprobar la temperatura de funcionamiento en el peor de los casos? Si está cerca de los 80 °C, es posible que desee enfriarlo mejor, incluso unos pocos grados pueden tener un gran impacto en la vida útil del componente.

Una segunda posibilidad que veo al observar su gráfico de alcance es que la inductancia de la línea de suministro esté causando transitorios extraños en las entradas. Es posible que desee intentar introducir el condensador de desacoplamiento más grande que pueda encontrar (clasificado para 100 V) en su sistema en las entradas del convertidor CC-CC para que pueda suministrar energía a medida que los convertidores se abren y cierran (antes de que la corriente pueda comenzar a fluir en el cable largo). Este capacitor de desacoplamiento también almacenará energía a medida que la corriente continúe fluyendo después de que ya no se necesite.

Cuando agregue condensadores a líneas con impulsos/picos, elija tapas marcadas como '105 grados C'

Operando con la noción aparente de que el convertidor de 5v estaba introduciendo algo de ruido/picos/transitorios/etc. de vuelta al lado de 48v de las cosas... y eso estaba contribuyendo a la falla de otros componentes en ese bus (como el convertidor de 12v)...

Conecté un capacitor de .1uf (marca "104M") a través de la entrada de 48v en el convertidor de 5v. Al hacerlo, el gráfico de alcance se aclaró casi por completo. También encontré un comportamiento similar por culpa de algunos convertidores de 12v.

Informaré al proveedor de su mala calidad y tal vez comisione una cantidad de "amortiguadores" para el inventario actual.

Agradezco a todos por su ayuda. Este sitio de StackExchange es mucho más amigable que StackOverflow (donde frecuento discusiones relacionadas con el software), así que gracias por la participación de todos. ¡No estoy muy seguro de a quién darle crédito individualmente!

si, son los componentes

No vinculó las hojas de datos exactas, pero otros sí, y lo que señalaron fue chatarra barata de queso. Https://yucoo.en.alibaba.com/productgrouplist-807018122/48v_to_12v.html?spm=a2700.icbuShop.98.17.122636feingm2j . Realmente ni siquiera necesita hacer clic, solo busque "alibaba" en la URL.

Esto es $5 por un DC/DC que debería costar $40.

Tienden a tener especificaciones optimistas, por lo que cargarlo casi al máximo (80%) es solo buscar problemas. Usaría el 80% en una unidad de General Electric. Para la basura de eBay/Ali/Amazon Marketplace, calculo más como un 33%.

Parte del problema es que estos productos no tienen responsabilidad en cuanto a la calidad. Las marcas "RoHS" y "CE" son universalmente falsificadas por fabricantes no europeos, porque es una marca voluntaria del "sistema de honor"; La aplicación consiste en atrapar a un fabricante que fabrica productos de calidad inferior y esencialmente demandarlos. Pero esto no tiene dientes fuera de la UE. En ese caso, los importadores son los responsables, y en el correo directo, ¡ el importador eres tú!

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ahora contraste con este producto aquí , que contiene esta marca. Como se discutió, RoHS y CE son basura. Pero mire la marca cЯUus". Esos son estos muchachos , que son el principal laboratorio de pruebas de EE. UU. Lo que esa marca significa es que si obtiene la máquina completa en la lista UL , esos componentes están preaprobados, y UL no se molestará tortura probando los componentes.

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