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可靠性案例分享——AF标准PoE模块在某设备中重启的分析

1、现象、问题描述:

在常温状况下,设备B反复重启。


2、关键过程、根本原因分析:

导致设备B设备重启的原因分析:

一、DC/DC开关频率方面:

预置的DC/DC开关频率为632KHz,配置电阻Ron对应原理图中的R5(R5=1MΩ)。在常温下,依然出现设备反复重启的情况。


DC/DC每一次开关转换都会伴有能量损耗,工作频率越高,开关损耗也就越高,同时效率也就越低。当把开关频率设置为234KHz时(R5=2.7MΩ),配接100米长超五类网线常温拷机正常。然后依次在85℃、70℃、65℃、55℃、50℃五个温度点进行了1.5小时左右的拷机试验,发现依然出现设备重启的情况。限于测试条件有限,无法测量密闭高温情况下,DC/DC芯片(SY8501FCC)周围的实际温度。

从12月17日21:04:36.843开始的,从85℃的降温拷机(恒温箱断电,箱门关闭)记录数据可以看出,当降温到18日01:01:30.921(最后一次重启完成)之后,除了出现正常的偶尔的丢包外,未出现设备重启现象。

鉴于上述理论分析和实测验证,说明降低DC/DC的开关频率确实可以达到降低开关损耗的效果。

为了进一步验证效果,将R5改为4.7MΩ(Fs=134KHz),并在SY8501芯片上涂抹导热硅脂加上铝块辅助散热。在70℃下进行了恒温测试,当温度升到70℃之初,间歇性出现数据丢失情况(较密集),随着时间的推移、设备内温度的积聚,开始出现设备重启情况。

在设备C上进行了核验,DC/DC开关频率设置为234KHz时(R5=2.7MΩ),使用100米长超五类网线,进行了1小时的85℃拷机测试,除了正常的偶尔丢包外,未出现设备重启情况。后在70℃温度下进行了3个小时的拷机试验,依然没有出现设备重启的情况。

二、DC/DC芯片级分析

通过 intersil TB379.4 ThermalCharacterization of Packaged Semiconductor Devices技术文档了解到:

Tj=Ta+(Θja * PD),其中:Tj表示芯片内的硅核温度,Ta表示芯片周围的空气温度,Θja表示硅核到空气的热阻系数,PD表示芯片功率损耗。

Tj=Tc+(Θjc * PD),其中:Tj表示芯片内的硅核温度,Tc表示芯片的封装表面温度,Θja表示硅核到芯片封装表面的热阻系数,PD表示芯片功率损耗。


具体到我们应用到的这颗SY8501FCC的料,根据其数据手册:


       最高的芯片工作周边空气温度T<Ta=Tj-(Θja * PD)=125-30*3.3=26℃,与芯片手册标称的25℃一致。

       最高的芯片工作温度T<Tc=Tj-(Θjc * PD)=125-10*3.3=92℃,芯片手册标注最高工作温度85℃无可非议。

       通过上述理论分析就可以很清楚地解释为什么设备A、设备B、设备C机型上出现的不同现象。①设备A因为不带红外灯,本身功耗比较低,芯片自身损耗也同样低,这就是为什么在设备A在不修改开关频率的条件下,85℃拷机依然正常。(设备A无红外灯,功耗2W左右)②设备B在红外灯开启的的情况下功耗6W左右,因为其是金属外壳安装,在85℃环境下拷机,芯片周围的温度应该远远高于85℃。再次设备功耗不低的情况下,DC/DC自身的功耗远远大于在25℃四层测试板上标定出来的3.3W的功率损耗。在设备状况不变,单纯降低外界温度(上述降温拷机测试)的情况也说明了这一点。在后续补充的继续降低开关频率并增加散热片(散热片自身效果、与芯片接触程度都不好说)的情况下,在70℃下进行拷机试验依然出现设备重启,说明当芯片处在一个基本的功率损耗的环境中,通过调低DC/DC开关频率已经没有明显改善效果。③在设备C机型(红外灯开启6.5W)上,设置DC/DC开关频率为234KHz,在70℃、85℃中进行了时间不短的拷机试验,除了正常的偶尔丢包外,未出现设备重启。因为设备C使用的是共模塑料外壳,自身不聚热,这就是其功耗明显比设备B稍大,但设备不重启的原因。

       针对AF标准PoE模块在设备B(可能包括其他使用同样外壳的机型)上出现的设备重启的情况,提出如下解决方案(必要时同时考虑):

1、使用热阻系数更低的板材。Tj=Tb+(Θjb *PD),其中:Tj表示芯片内的硅核温度,Tb表示安装芯片的PCB板表面温度,Θjb表示硅核到PCB板表面的热阻系数,PD表示芯片功率损耗。这一点需要结合成本综合考虑。

2、增加电路板的层数、板厚。目前打样的这批电路板是两层、板厚1.2mm。SY8501FCC数据手册上提供的参数都是在四层板上进行测定的。



       3、发热主芯片(如本设计中的SY8501)配加散热片。有三层含义:①对于这种发热器件,芯片厂商一般都会增加用于散热的裸焊盘(Exposed Pad),PCB设计时要将其充分接地,贴片焊接时要确保有效焊接(不仅要焊,更要焊好);②在空间允许的情况下,直接加装散热片;③当空间不允许时,芯片尽可能粘上导热性能好的材料之后贴在外壳上。

— END —

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