关于充电浪涌烧机的分析和总结

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一般在产品测试时，关于充电测试就不太受重视，因为这个原因导致最近一个产品在试产前，因为用DC电源充电时，主机PCBA主控芯片一直烧机。故此问题引起了重视，过程如下：
现象：

在硬测人员将主机PCBA上5V+和5V-引出接电源瞬间，主控芯片温度开始急速上升，整个PCBA板开始发热，直接短路，电源电压从5V被拉低，电流瞬间上升，远大于1A，此时PCB板已经烧毁。

故我们又选择了几片PCBA，连接好电池，在开始充电前，我们将DC电源短路电流设置到最大200mA，因为我们PCBA配置的充电电流为150mA，一是为了保证DC电源可以输出产品正常工作电流，二是为了限制最大短路电流保护PCBA板。我们将DC电源黑色鳄鱼夹夹住PCBA板的5V-，红色鳄鱼夹开始触碰PCBA的5V+，同时观察DC电源电流显示是否超出正常设置，经过测试，在触碰瞬间，2片PCBA电流均达到最大值200mA,故判定充电异常，需要分析原因。

分析：

• 因为此主控芯片内部自带充电设置，可以通过内部寄存器配置充电电流，故查找到该芯片手册，了解到最大设置电流200mA，而我方嵌入式软件配置只有150mA,没有超过其最大值;
• 我们再分析下充电电路，如下：
  VBUS为5V输入，另一端为GND，5V输入经过一个触发电流为1A的自恢复保险丝，即当输入回路突然产生异常大于等于1A的大电流时，该保险丝阻抗迅速增大，电路中电流减小，从而保护后级电路，当加载在两端电压撤去后，电路中无电流，保险丝温度降低，阻抗减小，相当于0Ω电阻。图中VBUSS直接连接到主控芯片，C19电容为预留，不贴。D2为双向ESD，防止外界充电PIN静电耦合到芯片，损坏芯片。故增加D2到地并且增加C18 = 100nF电容，D2和C18一起作为静电防护考虑。
  
  
  
  
  
  
  

在上述我们就发现，保险丝没有起作用，但是电流已经超过了1A；我们看下保险丝手册，触发时间为0.1s，即100ms。我们初步怀疑是因为充电瞬间产生的浪涌导致芯片损坏，而一般浪涌时间为us级别。保险丝一般无法有效触发。

假设如果是浪涌，一般分为电压浪涌，即du/dt和电流浪涌，即di/dt。故我们通过串联小阻值电阻来限制电流浪涌，通过并联大电容来限制电压浪涌。原理图如下：

我们将F1替换成同封装电阻0402 2.2Ω电阻，C19换上10uF电容。我们知道电阻可以限流，此电流最大从理想无穷到被限制为5V /2.2Ω = 2.2A，我们知道PCBA走线铜皮，导线均有阻抗，不可能无穷大。即电流变化率被限制了，同时我们知道电压对电容的充电曲线，如下图。电容两端电压不能突变，故电压浪涌被限制了。

因此我们在上述试验的2个PCBA板上将2.2Ω电阻和10uF电容换上。我们用同样方法测试，结果显示充电电流正常。故我们要求硬测，模拟充电瞬间，每个PCBA测试200次，观察试验结果。通过一段时间的测试，PCBA均工作正常，无其他异常情况。

则我们再分析，增加0402 封装2.2Ω电阻是否合适？

• 电阻本身额定功率
  我们知道电路充电电流设置150mA，则在电阻上产生的功率为：
  
  

P = I*I*R = 0.15A*0.15A*2.2Ω = 0.0495W

我们知道0402封装电阻额定功率为0.0625W，0.0495W<0.0625W；

故此封装电阻是合适的。

2.电阻本身压降和充电效率

我们计算在电阻两端产生的压降为U = I*R= 0.15V*2.2Ω = 0.33V

故输入到芯片的实际充电电压为5V - 0.33V = 4.67V

则输入功率P(理论)= 5V*0.15A = 0.75W;

实际输入功率为：P(实际)=4.67V*0.15A = 0.7005W；

故理论估算充电效率为：

P(实际)/P(理论) = 0.7005W/0.75W *100%= 93.4%

故经过上述理论计算得出：0402封装 2.2Ω电阻是合适的。

因电阻串联在电路中，需要具体分析，电容并联并不会对原先电路造成影响，故不作具体分析。

今天就到这里，谢谢大家阅读支持。