可靠性案例分享（2）——AF标准PoE模块在某设备中重启的分析
时间：10-02
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可靠性案例分享（2）——AF标准PoE模块在某设备中重启的分析 作者：贺芸
发现问题的环节：调测阶段
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 最高的芯片工作温度T 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。
参考文献：
1. intersil TB379.4 ThermalCharacterization of Packaged Semiconductor Devices
[url=]http://www.intersil.com/content/dam/intersil/documents/tb37/tb379.pdf[/url]
发现问题的环节：调测阶段
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 最高的芯片工作温度T 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。
参考文献：
1. intersil TB379.4 ThermalCharacterization of Packaged Semiconductor Devices
[url=]http://www.intersil.com/content/dam/intersil/documents/tb37/tb379.pdf[/url]
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