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设备重复上电会导致故障?

  • 2021-12-31 22:58
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  • 有大电容(例如超级电容)设备特别需要注意,设备掉电后,由于负载变轻,会导致电压快速回升,设备会重新启动,如此反复,导致设备寿命变短。

    之前在小公司做过一个产品,是一个物联网采集器,客户要求掉电以后设备还要上报断电信息,方便统计在线率,将断电故障排除在外,由于成本的因素,项目组优先选用了超级电容做后级电源,设备掉电以后,继续供电2S,将掉电事件上报到云平台,然后停止工作。产品发往市场大约一年以后,陆续收到 客户设备损坏的反馈,损坏率解决5%,有CPU损坏、存储器损坏,其中存储器损坏的居多,占据80%以上。Boss要求成立专项组攻关解决损坏率的问题。

    上面是超级电容的方案

    分析问题,攻关组分为软硬件两个方向,软件组分析了半个月,没有找到破绽。硬件组这边倒是很快找到了前任工程师留下的坑,超级电容导致的设备掉电后电源还在反复的启动,启动时间又比较短,相当于一次掉电等于几十次的上下电,而上下电是设备最容易出现故障的时候,类似于电脑的强行突然关机。

    超级电容的等效放电模型如下,超级电容的内阻非常可观,从数百mΩ到数Ω,并且,超级电容非恒压或恒流源,放电过程能量一直下降,如下图7的A点,一旦主电源5V下降到3.6v,EN信号就会变低,3.3V、1.8V等就会关闭,导致负载(下图R21所示)变轻,主电源5V就会有一个瞬间的拉升,又超过3.6V,EN信号又打开,3.3V、1.8V等就会开启,重复循环,直到超级电容的能量不足以拉升到3.6V以上,系统才不会被重启。复位震荡的原理也是一样,只是复位的阀值是3.5V。

    从本质看,震荡的根本原因就是因为超级电容能量没有放完,重新达到电源芯片的开启阈值,有两个思路,一个是将负载加重,让超级电容更加快速放电,但是这样会导致正常供电时也会有较重的负载。另一个是将开启电压和关闭电压分别设置两个不同的值,例如开启电压设置为4.7V,关闭电源设置为4V,这样超级电容飙升也很难达到4.7V。

    经过权衡,我们选择了第二种方案,

    (1);电压较低时,Q1尚未开启,根据分压原理,R7电压VB=VA×R6÷(R5+R6);VA=VCC x(R2//(R5+R6))÷{R1+ R2//(R5+R6}。

    (2);一旦电压上升,达到VA=2.5V,Q1打开,R7的电压VB≈VCC;

    (3);电压下降时,由于Q1仍然打开,根据分压原理,VA=VCC x R2÷(R1//R5+R2),一旦A电电压跌落至2.5V时,就关闭Q1;等待下一次的电压上升。

    经过重新改版后,产品经过一年多的验证,失效率从5%降低到0.1%,整改效果明显。

    不仅是超级电容,还有大容量的电解电容,用作后备电源的时候,也会存在上述案例中的电源震荡的问题,设计者应该注意,否则一次下电可能就等于数十次上百次的上下电,产品的寿命不低才怪,特别是小公司,没有专门的测试部,该问题很容易忽略

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • 电源技能成长记

    LV.1

    01-23 12:31

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    图7应改为图3,这个帖子很不错,看到了问题和解决方法,条理清楚,非常不错。电路分析的也很详细,有帮助。

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  • 天府大懒猫

    LV.1

    20小时前

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    这个是不是因为主电源和备用电源从同一个端口进入引起的

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