Một nghiên cứu tình huống thực tế trong công nghiệp giải thích lý do bảng mạch nguồn bị hỏng do dòng điện quá tải tức thời và cách giám sát dòng điện theo thời gian thực giúp ngăn ngừa hư hại tái diễn.
I. Bối cảnh dự án: Bảng mạch nguồn DC/DC trong thiết bị tự động hóa công nghiệp
Dự án này liên quan đến một bảng mạch nguồn DC/DC được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp, chuyển đổi nguồn cấp công nghiệp 24 V thành các mức điện áp 5 V và 3,3 V để cung cấp cho MCU, các mô-đun truyền thông và giao diện cảm biến.
Thiết bị hoạt động liên tục 24/7 tại hiện trường, với sự thay đổi tải thường xuyên tùy thuộc vào điều kiện vận hành.
II. Triệu chứng thực tế: Các sự cố bảng mạch xảy ra ngẫu nhiên và khó tái tạo
Sau 1–3 tuần hoạt động tại hiện trường, một số thiết bị bắt đầu gặp sự cố trên bảng mạch nguồn, bao gồm:
Các MOSFET phía đầu vào bị quá nhiệt và hư hỏng
Các vết cháy cục bộ trên bảng mạch in (PCB)
Không có cảnh báo hệ thống hay lỗi nào được ghi nhận trước khi xảy ra sự cố
Các sự cố xảy ra ngẫu nhiên trên các đơn vị, khiến việc tái tạo chúng trong các bài kiểm tra phòng thí nghiệm ngắn trở nên khó khăn.
III. Các bước chẩn đoán ban đầu và đánh giá sai
Ban đầu, đội kỹ thuật tập trung vào định mức các linh kiện nguồn và đã thử:
Sử dụng MOSFET có định mức cao hơn
Cải thiện khả năng tản nhiệt
Điều chỉnh tần số chuyển mạch DC/DC
Tuy nhiên, những thay đổi này làm tăng chi phí mà không loại bỏ được các sự cố.
IV. Phân tích nguyên nhân gốc rễ: Hệ thống không phát hiện được dòng quá tải tức thời
Sau khi phân tích sâu hơn dữ liệu tại hiện trường, nguyên nhân thực sự của vấn đề dần trở nên rõ ràng:
Nhiều mô-đun khởi động đồng thời khi cấp nguồn hoặc đặt lại.
Tải thay đổi nhanh chóng trong một khoảng thời gian ngắn.
Nguồn điện công nghiệp tại hiện trường gặp phải các dao động tức thời.
Các yếu tố này kết hợp gây ra các đợt quá dòng ngắn hạn lặp đi lặp lại đối với các linh kiện điện.
Do hệ thống chỉ dựa vào cầu chì và bảo vệ quá nhiệt:
Bảo vệ quá dòng tức thời không được kích hoạt.
MCU không thể ghi nhận sự cố bất thường.
Vấn đề chỉ biểu hiện dưới dạng mạch bị cháy sau một thời gian dài tích tụ.
V. Giải pháp thực tế: Thêm chức năng giám sát dòng điện theo thời gian thực
Thay vì tăng kích thước các linh kiện, giải pháp cuối cùng đã bổ sung chức năng giám sát dòng điện phía cao thế trên đường dẫn đầu ra của bộ chuyển đổi DC/DC, cho phép:
Đo dòng điện và công suất theo thời gian thực
Phát hiện dòng điện khởi động bất thường
Tuần tự cấp nguồn có kiểm soát hoặc giới hạn dòng điện
Điều này đã chuyển hệ thống từ khả năng chịu đựng thụ động sang bảo vệ chủ động.
VI. Kết quả: Cải thiện đáng kể độ tin cậy
Sau khi triển khai và sản xuất hàng loạt:
Không còn báo cáo thêm sự cố nào đối với bo mạch nguồn
Nhiệt độ của các linh kiện nguồn giảm đáng kể
Hệ thống vượt qua quá trình kiểm định thực địa dài hạn
Quan trọng nhất, hành vi của hệ thống nguồn trở nên quan sát được và kiểm soát được.
VII. Bài học thực tiễn dành cho kỹ sư và người mua
Trong thiết bị công nghiệp, hiện tượng cháy nổ bảng mạch nguồn thường không phải do một linh kiện đơn lẻ gây ra, mà là hệ quả của việc hệ thống thiếu khả năng cảm biến dòng điện theo thời gian thực.
Đối với các dự án bao gồm:
Nguồn điện công nghiệp
Thiết bị vận hành trong thời gian dài
Các dự án có yêu cầu độ tin cậy cao
Việc tích hợp giám sát dòng điện giờ đây không còn nên được xem là một "tối ưu hóa tùy chọn", mà phải là một phần thiết yếu trong thiết kế cơ bản.
EN
