Analiza awarii: regulator napięcia liniowy

/notatki/regulator-napiecia-linowy/ wersja raportu: 1.0 ID sprawy: LDO-REG-25-412

Zakres: regulatory napięcia typu LDO (Low Drop-Out) w modułach sterujących AGD. Typowe układy: AMS1117, LM1117, LT1763, MIC29302. V_in=5–24 V, V_out=1,8–12 V, I_load 20 mA–1,5 A. Parametry kontrolowane: dropout, nagrzewanie, PSRR, ripple, stabilność dynamiczna. Tor obciążenia: logika MCU, sterowniki PWM, czujniki MEMS, moduły komunikacyjne BLE/Wi-Fi.

Objawy i kody błędów

Przypadkowe restarty MCU przy spadkach V_out<2,8 V.
Silne nagrzewanie układu LDO (do 105–120 °C) nawet przy średnich obciążeniach.
Zakłócenia ADC powiązane z ripple>80 mVpp i słabym PSRR.
Kody: E:LDO-11 (uvlo_trip), E:LDO-22 (thermal_shutdown), W:LDO-04 (dropout_margin_low), W:LDO-09 (ripple_exceeded).

Kod	Warunek zapisu	Skutek
`E:LDO-11`	V_out<2,8 V przez >50 ms	reset systemu
`E:LDO-22`	T_j>150 °C	zabezpieczenie termiczne
`W:LDO-04`	V_drop<250 mV	log ostrzegawczy
`W:LDO-09`	V_ripple>80 mVpp	ostrzeżenie dla ADC

Stanowisko i metodyka

Zasilacz DC 0–24 V/5 A, obciążenie elektroniczne do 2 A, oscyloskop 500 MHz, kamera IR, generator ripple 10–200 kHz, analizator PSRR. Procedury: pomiar dropout, ripple, PSRR, analiza stabilności dynamicznej, test nagrzewania układu w komorze 20/55 °C, obciążenie skokowe 20→80%.

Parametr	Wartość ref.	Uwagi
Dropout	<250 mV	@I_load<500 mA
PSRR @100 kHz	>55 dB	tłumienie zakłóceń
V_ripple	<50 mVpp	obciążenie nominalne
T_j max	<125 °C	przy ciągłej pracy

Wyniki i obserwacje

Dropout: AMS1117 przy I_load>800 mA osiągał V_drop=540–610 mV, co skutkowało W:LDO-04 oraz błędami UVLO przy niskim Vin.
Nagrzewanie: w pięciu modułach LM1117 T_j=112–128 °C; kamera IR wskazała hotspoty >140 °C, wyzwalając E:LDO-22.
Zakłócenia ripple: przy przetwornicach step-down upstream ripple na V_in=100–140 mVpp przekładało się na V_out=65–110 mVpp → flagowane W:LDO-09.
PSRR: test @100 kHz wykazał spadek PSRR z 58 dB (nowe) do 37 dB (po 2 latach) — starzenie kondensatorów wejściowych.
Dynamika: burst obciążenia 100 mA→900 mA spowodował V_out spadek do 2,5 V/120 µs, co generowało resety MCU.

LOG START [LDO-REG-25-412]
t[ms] Vout[V] Iload[mA] Vdrop[mV] Vripple[mV] Tj[°C] Flags
0     3.31    120       110       16          35      OK
820   3.05    720       430       42          88      W:LDO-04
1680  2.62    940       610       94          113     W:LDO-09
2210  2.47    1100      720       112         126     E:LDO-22
LOG END

Hipotezy przyczynowe (ranking)

DROPOUT: zbyt mały zapas napięcia wejściowego → UVLO i restarty MCU.
THERMAL: brak radiatorów i słabe chłodzenie PCB → przekroczenia T_j.
PSRR: degradacja kondensatorów wejściowych → przenikanie ripple upstream.
DYNAMIKA: brak kompensacji przy burstach obciążenia → zapady V_out.

Wycinek procedury serwisowej

Pomiar dropout: V_in obniżać stopniowo do punktu UVLO; wynik <250 mV → OK.
Weryfikacja PSRR: generator ripple @100 kHz, amplituda 100 mVpp; wymagane tłumienie ≥55 dB.
Kondensatory: ESR<100 mΩ, wymiana jeśli powyżej.
Chłodzenie: radiator ≥15 cm² przy I_load>800 mA lub praca impulsowa.
Test końcowy: burst 20→80% obciążenia, V_out>2,95 V, brak E:LDO-11/E:LDO-22.

Wnioski

Najczęstsze problemy regulatorów LDO w modułach AGD to przekroczenie dropout, przegrzewanie układu oraz degradacja PSRR na skutek starzenia kondensatorów. Po poprawie filtracji, dodaniu radiatorów i korekcie Vin zredukowano wystąpienia E:LDO-22 o 87%. Do opracowania raportu wykorzystano dane pozyskane z pomiarów kontrolnych z użyciem oscyloskopów o wyższej rozdzielczości.

W trudnych przypadkach zalecany jest serwis lokalny z logami V_out, ripple i pomiarami termicznymi.