La fuente de alimentación que se apagaba sola

Todo empezó con un llamado telefónico, mi cliente había recibido una queja de un usuario final que había comprado el producto y decía que se quedaba congelado, que no respondía a los controles, que debía desconectarlo y volverlo a conectar. Siendo un producto empotrado y directamente conectado a la red domiciliaria de 220V, esto significaba cortar el suministro eléctrico en esa zona de su casa.

Dado que había ya algunos miles de placas controladoras de este producto en servicio, ésta era la única con esa falla, y además se trataba de un lugar alejado en el interior del país, quedó como una anécdota que de algún modo resolvió mi cliente y retomé mis actividades habituales. Era raro que fallara el watchdog, debía tratarse de algo relacionado con la fuente o algún problema térmico, en esos lugares hace mucho frío o mucho calor…

Meses después, la falla se repite en un lugar también relativamente alejado, pero esta vez el usuario final era un cliente estratégico en un barrio cerrado; como siempre sucede, las fallas difíciles de encontrar se manifiestan en el lugar donde más daño causan, Murphy…

Los técnicos de la empresa que vendía el producto se cansaron de reemplazar placas y el problema persistía, a lo cual fuimos hasta el lugar e hicimos mediciones. Para nuestra sorpresa pudimos observar que el cliente tenía toda la razón y un poquito más, pero también observamos que la tensión de la red eléctrica fluctuaba considerablemente, ascendiendo por momentos a más de 250V. Colocamos un osciloscopio y pudimos confirmar que la fuente switching que alimentaba a la electrónica del aparato dejaba de funcionar, y retomaba sus actividades al retirarle la alimentación y volverla a aplicar; algo así como una auto-protección o un auto-apagado…

Luego de comprobar que no era un problema de temperatura (el chip tenía además un protección contra eso), con esa placa en la mano me retiré a mi laboratorio a reproducir el problema y meditar sobre sus posibles causas. La primera revelación la encontré ejercitando la perilla del autotransformador variable (variac). Si bien la fuente funcionaba correctamente a altas tensiones, con cambios bruscos a veces lograba reproducir la falla. Conectando un estabilizador de tensión modificado y forzándolo a cambiar repetidas veces, logré reproducirla casi a voluntad.

La segunda revelación la encontré en la hoja de datos, uno de los pines del controlador desarrollaba una función con una máquina de estados interna cuya descripción coincidía notablemente con lo que estábamos observando, pero ese pin estaba correctamente desacoplado con un capacitor a masa como indicaba la hoja de datos.

Vista del diseño de la PCB, con el capacitor de desacople

Luego de leer la descripción de todos los pines del controlador decenas de veces, llegué a la conclusión que “algo” tendría que “de algún modo” hacer que la tensión en ese pin se elevara. Algo extraño estaba sucediendo en torno a ese capacitor indicado en la figura anterior…

La tercera revelación ocurrió cuando pude observar con el osciloscopio que la tensión en dicho pin ascendía levemente durante un instante coincidente con los cambios bruscos de “la tensión de red” cuando ésta estaba en valores por encima de los 240V, momento a partir del cual la fuente de alimentación dejaba de operar hasta que se la reiniciaba. Habíamos encontrado qué era lo que sucedía, ahora sólo restaba encontrar por qué era que eso ocurría…

El satori se produjo al observar el diseño de la placa y analizar (una vez más) los lazos de corriente, pero esta vez prestando mucha atención al camino de retorno a masa del capacitor de desacople.

Detalle de los lazos de corriente, omitimos la corriente por el snubber por simplicidad

El trazo en color mostaza claro es el lazo de la corriente de conmutación de la fuente, intencionalmente de área reducida para evitar generar excesivo ruido que pudiera interferir con la operación del resto del circuito. El trazo en mostaza oscuro, corresponde al lazo de la corriente de entrada de la fuente desde la red… compartido con otras funciones de la circuitería del aparato en sí, pero además, y fundamentalmente, compartido en una extensión importante con el trazo rojo brillante, que corresponde al retorno a masa del capacitor de desacople…

Si bien podríamos confiar en la pista gruesa y en ambas caras que oficia a la vez de disipador; prestemos atención a ese “inductor desenrrollado” que corre horizontal. Es evidente que tanto los impulsos de operación de la fuente, que resultan más intensos cuando hay altas corrientes en juego, como los impulsos de carga del capacitor de filtro, que resultan más intensos cuando hay transitorios en la red, circulan por un tramo considerable compartido con la conexión del capacitor de desacople a masa. Esto lo podemos pensar como que ese capacitor tiene un circuito RL serie a masa (la impedancia de las pistas de la PCB), y en el punto de unión con ese circuito conectamos las otras corrientes para llevarlas a masa… Hablando con propiedad, tenemos un circuito sensible que requiere un camino de retorno a masa de baja impedancia y lo estamos llevando por un camino de una impedancia inadecuada que para peor transporta corrientes variables elevadas, con alto di/dt, y todos sabemos lo que sucede cuando alto di/dt circula por -L, ¿no?.

La solución fue reemplazar ese capacitor por uno de inserción, conectando el retorno a masa directamente por un camino diferente, “en estrella”, a la referencia del chip; lejos del circuito de conmutación y de la corriente de entrada, como recomiendan las buenas prácticas y la hoja de datos…

Vista del diseño corregido de PCB, con el nuevo capacitor

En la figura podemos observar el nuevo camino. Si bien tenemos además la conexión a masa de un doble diodo en SOT-323, la misma no transporta corriente significativa.