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加个二极管,解决地铁车尾灯的失效问题!

2024-02-07 16:15:46 Daniel Dufresne 阅读:
我们的客户——一家地铁车辆制造商——为他们的地铁车厢采购了一种新型红色尾灯。问题是,这种灯在正常工作几次后就失灵了。尾灯设计人员来了也搞不定。客户只好转而求助于我……

那是20世纪90年代中期,我是一家设计和制造定制测量系统和大功率电子产品的公司的设计工程师。我们的客户包括实验聚变反应堆运营商和电力公司。Jimednc

一天,我的老板让我和他一起去会议室,与一家公共交通汽车制造商的一些人会见。他说他们的一家供应商的产品出现了问题,请求我们提供帮助。Jimednc

我们见到了地铁车辆制造商的项目经理和他们一家供应商的工程师。该产品是安装在地铁车厢上的一种新型红色尾灯。与它的名字相反,尾灯安装在车厢的两端,因为大多数地铁车厢都是双向交替运行的。问题是,这种灯工作正常几次后就失灵了。Jimednc

尾灯组件包含LED及其供电电源。他们向我们展示了原理图,部分内容在这里:Jimednc

Jimednc

根据记忆绘制的部分原始原理图。Jimednc

输入电源为74V直流电,来自电池。该设备是一款非隔离式DC-DC降压反激式转换器,为内置LED供电。它使用一个控制器IC U1和一个独立的功率MOSFET,该MOSFET没有在我的原理图中画出来。MOSFET对变压器电感器T1的初级进行开关。变压器有两个次级绕组。主绕组连接至整流器D2和滤波器(未画出),然后连接至LED(未画出)。辅助绕组经D2整流,C1滤波,然后为控制器IC供电。主负载是串并联排列的红色LED,功耗约为15W。Jimednc

控制器不能直接由电池供电,因为电压高于IC的最大供电值。此外,由于它向MOSFET发送栅极信号,因此供电电压不能超过20V,否则会损坏MOSFET。Jimednc

尾灯设计人员认为,如果他们通过串联电阻分流齐纳电路将U1的Vcc引脚连接到电源,那么为IC供电所损耗的功率将超过2W,总效率将降低约15%。Jimednc

因此,他们决定使用一个启动电路,瞬间为IC供电,一旦转换器运行,IC将由转换器的输出供电。他们还需要关闭启动电路。他们使用了一个串联电阻R2,与一个具有足够额定电压和电流的小信号高压BJT Q1的集电极相连。晶体管Q1的发射极连接到IC电源的引脚网络,也就是第二个次级绕组供电的引脚网络。Q1的基极与齐纳二极管D1相连,由来自输入电源的高阻值电阻R1偏置。一旦转换器启动并运行,辅助绕组电压将通过D2整流并通过C1滤波。Vcc将升高到D1电压之上,使Q1的基极发射极结反向偏置并关断。这样就切断了电流,使启动电路损耗几乎为零。总体而言,六个小信号器件的成本远低于一两个大功率器件,因此他们为启动电路选择的解决方案是合理的。Jimednc

问题是Q1反复失效。转换器启动很快,设计人员向我保证没有任何器件过热。Jimednc

我一眼就看出了问题的根源,但我闭口不谈。如果我现在告诉他们解决方案,他们就会卷铺盖走人,不会支付我们的专业技术报酬,理由是我们花费的时间不值得为支付我们的报酬而做书面工作。我的老板说,我们会抓紧工作。他们给我们留下了一个工作设备和原理图。Jimednc

他们一走,我就和老板谈了起来。设计启动电路需要做出一系列妥协:选择一个高于IC最低工作电压的齐纳值;计算变压器的匝数以产生高于齐纳值的电压,但又不能太高,否则会损坏MOSFET。问题还在于,转换器调节的是主输出电流,而不是辅助输出电压,因此必须在从最小电池电压到最大电池电压的整个范围内工作。Jimednc

如果辅助绕组的工作电压远高于齐纳电压,Q1的反向偏置基极发射极结就会击穿并损坏晶体管。与Q1类似的晶体管MPSA42的最大Vebo通常为6.0V,这也是许多BJT的典型值[1]。如果发射极基极结的反向电流水平较低,这个结就会表现为齐纳二极管。随着电流增大和持续时间延长,当恢复正常工作时,β值就会下降,噪声就会增大。如果反向电流过大,晶体管就会失效[2][3],这就是Q1在该产品中失效的原因。Jimednc

我告诉老板,解决办法很简单,在Q1的发射极和控制器Vcc引脚之间添加一个串联二极管D3,见修改后的原理图:Jimednc

Jimednc

根据记忆绘制的修改后的部分原理图。Jimednc

他同意我的观点。我修改了设备。我在整个电池电压范围内进行了多次开关循环测试,结果设备运行完美。Jimednc

第二天晚些时候,我的老板打电话给我们的客户,说我们已经找到了问题所在,并为他提供了一种简单、低成本的解决方案。一周后,我们的客户告诉我们,制造商已经确认了我们的解决方案,他们都对我们的工作非常满意。Jimednc

我们得到的教训是:Jimednc

  1. 谨防BJT基极发射极结反向偏置;
  2. 严格执行设计审查,并使用检查项目清单,这里的清单是一个良好的开端[4]
  3. 在回答客户问题之前要想清楚,这总是涉及到钱的问题,你的老板用客户的钱来支付你的薪水,不要把钱拱手让人;
  4. 最重要的是,永远不要让客户看起来像个傻瓜。

参考文献

  1. ONSEMI, datasheet MPSA42: NPN Bipolar Small Signal Transistor, February, 2013 − Rev. 8. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/mpsa42-d.pdf  [Page retrieved 2022-06-21].
  2. Pease, Robert A. Troubleshooting Analog Circuits. Butterworth-Heinemann, 1991. Page 77.
  3. Motchenbacher C. D. and J. A. Connelly. Low-Noise Electronic Systems Design. John Wiley & Sons, Inc. 1993. page 133.
  4. Wallace, Hank. Electronics Design Checklist, http://www.jldsystems.com/pdf/Electronics%20Design%20Checklist.pdf [Page retrieved 2022-06-19].

关于作者

Daniel Dufresne是一位退休工程师,曾从事电信、公共交通、消费产品和大功率电子设计工作。他还曾在Cegep de Saint-Laurent学院担任教授。他获得了蒙特利尔大学工学院(Ecole Polytechnique de Montreal)的学士学位。他现居加拿大蒙特利尔,仍从事电子项目和电子测试设备的维修工作。Jimednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:The start-up transistor works once!,由Franklin Zhao编译。)Jimednc

责编:Franklin
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