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各類三端穩壓器反向擊穿與防護深析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-02-27 

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三端穩壓器,反向擊穿

三端穩壓器介紹與分類

在了解三端穩壓器反向擊穿之前,先來了解三端穩壓器。是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩壓管在反向擊穿時,在一定的電流范圍內(或者說在一定功率損耗范圍內),端電壓幾乎不變,表現出穩壓特性,因而廣泛應用于穩壓電源與限幅電路之中。


分類:

三端穩壓器,主要有兩種,一種輸出電壓是固定的,稱為固定輸出三端穩壓管,另一種輸出電壓是可調的,稱為可調輸出三端穩壓器。


三端穩壓器反向擊穿概述

集成穩壓器應用測試過程’中,任意兩個管腳之間嚴格禁止出現瞬態的‘反偏’狀態(包括mS級的瞬態反偏),否則電路有可能在瞬間被反偏擊穿燒毀。


電路有可能出現反偏擊穿的外部狀態:GND→IN、OUT→IN、GND→OUT、ADJ→OUT,應用中要求:GND →IN≤|-1V|,其他管腳間為≤|-5V|。


【以上幾種現象損壞的穩壓器、可以通過電路解剖觀察芯片有不同的燒毀痕跡?!?/span>


在測試或裝配過程中‘人為疏忽’造成‘反接’狀態,是“沒有什么措施可以保護”的。如:發生管教倒置,輸入電壓極性接反、樣品規格與使用規格不符等情況,必須操作中細心的加以防止。


在特定情況下有應用電路產生的‘瞬態’的反偏狀態,可以參考推薦保護措施增加相應保護元件還是可以避免的,當缺少相應的保護元件時‘偶發’條件下穩壓器電路的隨機損壞的情況將不能避免這種情況引起的電路失效不屬于電路產品質量問題。


三端穩壓器反向擊穿分析與防護

排除人為不當造成的電路出現反偏情況,常見的由應用電路在特定條件下產生的‘瞬態’反偏狀態及擊穿機理進行簡要的描述和分析:


(一)OUT→IN端反偏

產生來源:

①負載時對電池類的充電應用,斷電時電池并未脫離電路輸出端。

②電路輸入存在有大的負向脈沖,如果電路輸入同時存在較大的感性負荷的反電動勢。

③電路輸出端接入大的濾波電解電容。(發生較多的反接擊穿情況)


保護措施:

在電路I-O端之間增加保護二極管Di,將I-O反偏電壓鉗位在1V以內。

三端穩壓器,反向擊穿


機理分析:

只要不是穩壓電路輸出應用環境造成的工作條件,應用中在電路輸出端不應接入大的濾波電解電容。接入這個電解有可能造成一個電路的OUT→IN端之間的‘反接’機會。

理論上,只要電源的輸入濾波電解足夠大,可以保證即使在穩壓電路輸入電壓處于紋波‘谷點’時也可以滿足電路穩壓必須的最小輸入壓差的特定要求。電路自身具有很強的紋波抑制能力,根本沒有必要在輸出端接濾波電解電容。

接輸出端的濾波電容對于電源濾波所起的作用很小,這個電容有時反而會造成意外損壞穩壓器電路的特定條件。


不推薦在輸出端接濾波電容式由于電容的‘儲能作用’,電容充電后可等效為一電池,在特定的情況下,如輸入電壓在瞬間的短路,感性元器件產生的負脈沖或關機后輸入電壓下降更快時,有可能造成電路VO>VI的電位反偏狀態。在輸出端接濾波電容>20μF以后,電路調整管的反偏-5V左右。輸出電容的放電過程可能在mS量級的瞬態反向擊穿或損傷電路調整管,輸出電容容量越大,反偏電壓越高,對調整管損傷越嚴重直至燒毀。


建議:

50Hz市電整流濾波應用時,CD值為每1A負載電流取2000μf范圍,否則輸入紋波可能較大。在穩壓電路的輸入電壓已經很低時,就可能造成(Vi-Vo)低于電路工作時允許的最小壓差(Vi-Vo)min,出現電路瞬間脫離穩壓控制的狀態。


電路脫離穩壓狀態時輸出不等比跟蹤輸入變化。在(Vi-Vo)≥(Vi-Vo)min時,輸出電壓穩定在途中的直線Vo段,在(Vi-Vo)<(Vi-Vo)min時,由于這時電路脫離穩壓狀態,輸入的紋波電壓幾乎完全鏡象到電路輸出,這時穩壓電路的紋波抑制比功能此時不會起作用,對外表現電路穩壓特性很差或電路不能穩壓。如下圖中Vo為穩壓時的值、Vo'為用直流電壓表的測量的平均值、Vd為鏡像到輸出的輸入紋波谷點電壓。

三端穩壓器,反向擊穿


(二)GND→IN端反偏

產生來源

在汽車類電子領域的電路應用中發生較多,如部分車型的汽車馬達、點火系統等感性設備產生的約50-200mS脈寬范圍的瞬態微分峰值電壓可達+70V、-80V范圍,5-20mS脈寬范圍的可能達到+110V、-250V范圍。其中的負向脈沖造成了這種反偏。(正想脈沖可能造成電路輸出出現‘瞬態’過壓擊穿燒毀)


保護措施

將反偏電壓鉗位在1V以內,對于負向脈沖增加Df進行抑制。

三端穩壓器,反向擊穿


(三)GND→OUT端反偏

產生來源:

①來自正負輸出配對應用,當正負輸出的公共負載發生瞬態的短路時。

②電路輸出存在有大的感性負荷,較大的反向電動勢產生的負向脈沖。

③為獲得高于穩壓器標稱值的電路輸出,輸出電壓被Dz抬起一個固定電壓值(如下圖),沒有保護二極管D的情況下,輸出存在瞬態的短路情況。

三端穩壓器,反向擊穿


由于設計算短穩壓器電路正常工作時,電路的公共端的電位應是最低的(絕對值),無論任何原因造成電路GND端電位高于其他兩端電位的情況,即屬于電路的‘反偏’狀態,反偏電位的絕對值達到5V以上時,mS量級脈寬的瞬態‘反偏’就會造成內部電路的相關區域受損或燒毀。這種擊穿是隨機發生的現象,不同批次產品或同批次產品發生概率可能不同。


保護措施:

應將反偏電壓鉗位在1V以內。增加途中二極管D。


(四)Adj→OUT端反偏

三端穩壓器,反向擊穿


可調三端穩壓器典型應用電路

產生來源:

從可調系列電路的典型應用電路圖可以看出,應用中調整端Adj的電位應永遠低于輸出端OUT的電位,參考OUT端的電位而言Vadj=VREF=-1.25V。

在輸出電壓取樣回路中,VR2=Vadj=VO-VREF=VO-1.25V≈VO,可見在可調系列電路讀書處取樣回路中,電壓幾乎是全部的降在可調電阻R2上。因此、VC3=VR2≈VO。


產生VO-ADJ端‘反接’的原因:應用中在可調系列電路時,在輸出下取樣電阻的兩端并聯一支10μ~47μ的輸出紋波抑制電解C3,這個C3確實可起到減小輸出紋波電壓的作用(注意:紋波參數測試時,對C3的容量也是有具體要求的)。但因有VC3=VR2≈VO的存在,接入這個電解也創造了一個ADJ→VO端之間的電路‘反接’機會。

三端穩壓器,反向擊穿


可調三端內部電路簡圖

從內部電路的局部電路圖中可以看出,在VO-Adj端的反偏足夠大時,Q17的EB結就可能因為電壓反偏被擊穿,但足可以燒毀與電阻R14相關的電阻體、10~20μm寬的鋁引線層、引線孔等局部電路部分。當外部表征為器件的輸出電壓不能進行調整時,這時電路已經失效了。


造成這類擊穿由于三極管的BVEBO是很低的(不妨用分立器件的三極管實測一下)。從圖中可以看出、接于Adj端的C3是通過調整電流Iadj進行充電的,但C3被充電后自身是沒有‘低阻的’放電通路的。如果應用中設點VO較高,由于VC3≈VO,必然有C3兩端的電壓VC3也很高。如這時出現VO≈0時的瞬間‘短路’狀態,必然造成Adj→VO端的反偏擊穿,C3儲存的能量通過調整端內部電路進行逆向放電(放電通路用虛線表示)。


在C3>10μF、VC3>5V以后,僅需mS量級的瞬態,就有可能燒傷穩壓器調整端內部的局部電路,由于燒毀所需能量很小,因此顯微鏡下觀察這種造成電路失效的燒痕最小,一般僅在20μm×20μm范圍以內。


保護措施:

增加典型應用電路圖中的反向鉗位二極管DO。


防止測試中電路樣品異常損壞:

針對正壓可調系列電路,測試儀器使用前應明確必須有反向鉗位二極管DO存在。


其理由很簡單對于正可調系列金屬封裝的電路,金屬殼體的裝配孔為第三引出端、并被定義為電路的輸出端。對樣品進行測試時、先接觸插座的肯定是插入孔中的1腳、2腳,即輸入端和調整端,一旦1腳、2腳插入后、電源立刻通過調整電流Iadj對接在C3充電。如設定的VC3較高、最后接觸插座的輸出端可能存在短路的條件時(可參考下方C-V圖的△t瞬間),就有可能在測試中燒傷穩壓器調整內部的局部電路。

三端穩壓器,反向擊穿


三端穩壓管內部電路圖

三端穩壓器,反向擊穿



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