Rzeczywisty przypadek z branży przemysłowej wyjaśniający, dlaczego płytki zasilania ulegają uszkodzeniom z powodu chwilowych przepięć prądowych oraz jak monitorowanie prądu w czasie rzeczywistym zapobiega powtarzającym się uszkodzeniom.
I. Tło projektu: płyta zasilania DC/DC w urządzeniach automatyki przemysłowej
Projekt obejmuje płytę zasilania DC/DC stosowaną w systemie sterowania automatyki przemysłowej, która przekształca przemysłowe napięcie zasilania 24 V na napięcia 5 V i 3,3 V dla mikrokontrolera (MCU), modułów komunikacyjnych oraz interfejsów czujników.
Urządzenie działa 24 godziny na dobę w warunkach terenowych, przy częstych zmianach obciążenia zależnych od warunków eksploatacji.
II. Objawy występujące w terenie: losowe awarie płyty trudne do odtworzenia
Po 1–3 tygodniach pracy w terenie niektóre jednostki zaczęły wykazywać awarie płyty zasilania, w tym:
Przegrzane i uszkodzone tranzystory MOSFET po stronie wejściowej
Lokalne ślady spalenia na płytce PCB
Brak ostrzeżeń systemowych lub zarejestrowanych błędów przed wystąpieniem awarii
Awarie występowały losowo w różnych jednostkach, co utrudniało ich odtworzenie podczas krótkich testów laboratoryjnych.
III. Wstępne diagnozowanie i błędna ocena
Na początku zespół inżynieryjny skupił się na parametrach elementów zasilania i podjął następujące działania:
Zastosowanie tranzystorów MOSFET o wyższych parametrach znamionowych
Ulepszenie odprowadzania ciepła
Dostosowanie częstotliwości przełączania przetwornicy DC/DC
Jednak te zmiany zwiększyły koszty, nie eliminując jednocześnie awarii.
IV. Analiza przyczyny pierwotnej: system był „ślepy” na chwilowe przewiążenia prądowe
Po dalszej analizie danych zebranych w miejscu eksploatacji prawdziwa przyczyna problemu stopniowo stała się jasna:
Wiele modułów uruchamiało się jednocześnie po włączeniu zasilania lub po restarcie.
Obciążenie zmieniło się szybko w krótkim okresie.
Zasilanie przemysłowe na miejscu doznało przejściowych fluktuacji.
Połączenie tych czynników spowodowało powtarzające się krótkotrwałe przepływy prądu przekroczające dopuszczalne wartości w urządzeniach zasilających.
Ponieważ system opierał się wyłącznie na bezpiecznikach i ochronie przed przegrzaniem:
Ochrona przed przejściowym przepływem prądu nie została wyzwolona.
MCU nie był w stanie zarejestrować tego zdarzenia nietypowego.
Problem ujawnił się dopiero po długim okresie akumulacji jako uszkodzenie płytki (spalenie się płytki).
V. Rozwiązanie praktyczne: dodanie monitoringu prądu w czasie rzeczywistym
Zamiast zwiększać wymiary komponentów, końcowe rozwiązanie wprowadziło monitoring prądu po stronie wysokiego napięcia w ścieżce wyjściowej przetwornicy DC/DC, umożliwiając:
Pomiar prądu i mocy w czasie rzeczywistym
Wykrywanie nieprawidłowych prądów rozruchowych
Kontrolowane sekwencjonowanie zasilania lub ograniczanie prądu
Spowodowało to przejście systemu od biernego wytrzymałościowego do aktywnej ochrony.
VI. Wyniki: Istotne poprawy w zakresie niezawodności
Po wdrożeniu i uruchomieniu masowej produkcji:
Nie zgłoszono więcej awarii płytek zasilania
Temperatura komponentów zasilania znacznie spadła
System przeszedł długotrwałą walidację w warunkach rzeczywistych
Najważniejsze jest to, że zachowanie układu zasilania stało się widoczne i możliwe do kontrolowania.
VII. Praktyczne wnioski dla inżynierów i zakupujących
W sprzęcie przemysłowym spalenie płytki zasilającej często nie jest problemem pojedynczego komponentu, lecz wynikiem braku w systemie możliwości pomiaru natężenia prądu w czasie rzeczywistym.
Dla projektów obejmujących:
Zasilacze przemysłowe
Sprzęt pracujący przez dłuższy czas
Projekty o wysokich wymaganiach dotyczących niezawodności
Wprowadzenie monitoringu natężenia prądu nie powinno już być traktowane jako „opcjonalna optymalizacja”, lecz jako nieodłączna część podstawowego projektu.
EN
