在我們的項目開發(fā)和產(chǎn)品量產(chǎn)過程中，總是會發(fā)生IC損壞，一般來說，要找出這些IC損壞的根本原因并不總是容易的。某些偶發(fā)損傷很難再現(xiàn)，這時難度會更大。而且，有時IC的失效表現(xiàn)簡直是毀滅性的。IC可能已經(jīng)完全燒光了。即使求助于IC工廠分析，也經(jīng)常找不到失效的根本原因。作為工程師，頭皮預(yù)計會麻痹。

電源IC的故障經(jīng)常導(dǎo)致輸入端出現(xiàn)電氣過載(EOS)。很多情況下，部件故障的原因都是輸入電壓太高。本文介紹了電源IC輸入ESD保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)，并說明了它在受到EOS攻擊時是如何受損的。EOS攻擊事件的原因往往是熱插入與電線或路徑電感和低ESR陶瓷電容相結(jié)合而形成的瞬態(tài)效應(yīng)。在電路設(shè)計中使用一些特殊設(shè)計可以防止和防止EOS的發(fā)生。

可能發(fā)生的危險。本文還介紹了Buck轉(zhuǎn)換器輸入端的結(jié)構(gòu)，提供了輸入電壓過高導(dǎo)致部件損壞的機(jī)制，通過多個應(yīng)用實(shí)例說明了輸入電壓是如何產(chǎn)生的，并給出了相應(yīng)的故障排除方法。

巴克變換器輸入結(jié)構(gòu)

下圖顯示了包含多個靜電放電(ESD)保護(hù)裝置的Buck轉(zhuǎn)換器Buck內(nèi)部的基本配置。

在上圖中，電源輸入VIN受包括內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器和MOSFET在內(nèi)的大型ESD設(shè)備保護(hù)，因此可以承受高靜電電壓。軟件終端內(nèi)部通常沒有ESD設(shè)備。因為大型MOSFET本身可以像ESD保護(hù)裝置一樣工作，靜電電流可以通過內(nèi)部本體二極管流向GND或VIN端，并且可以使用擊穿特性進(jìn)行保護(hù)。BOOT端有ESD設(shè)備，其他小信號終端各有一個小ESD設(shè)備，通常與輸入串行電阻一起保護(hù)這些小信號終端不受靜電放電的影響。

ESD和EOS的區(qū)別

超過ESD單元鉗位電壓的過電壓出現(xiàn)在IC終端上時，IC是否會損壞取決于ESD元件擊穿期間通過的能量量。

電子靜態(tài)顯示(ESD)和電子超負(fù)荷(EOS)都是電壓超負(fù)荷相關(guān)概念，但它們之間的差異也很明顯。

ESD提供高電壓(500V)和相對短的持續(xù)時間(1s)

EOS以相對低的電壓(100V)持續(xù)更長的時間(通常為1s)

在更長的時間內(nèi)發(fā)生EOS事件時，影響ESD保護(hù)裝置的能量更多，往往超過ESD保護(hù)裝置的最大沖擊能量耐受能力。這將導(dǎo)致ESD保護(hù)裝置積累過多的熱量，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的毀滅性后果。通常，支撐ESD保護(hù)裝置的芯片的其他部分也可能一起損壞。

電源熱插入導(dǎo)致輸入端過載

電源IC輸入受到EOS沖擊的常見原因是電源的熱插入事件。此事件在通電的電源進(jìn)入系統(tǒng)時發(fā)生。該系統(tǒng)的輸入端通常包含低ESR的陶瓷輸入電容，與電源引線的電感一起共振，可能會產(chǎn)生高壓振動信號。下圖顯示了電源打開，兩條引線將電源連接到應(yīng)用程序系統(tǒng)的情況。其中開關(guān)S用于模擬熱插入行為。

系統(tǒng)輸入中出現(xiàn)的電壓振動信號的范圍與電源的內(nèi)阻、引線的電阻和電感、開關(guān)S的電阻、輸入容量C1、C2的電容、ESR的大小等多種因素有關(guān)。

例如，假設(shè)12V電源的輸出容量大，電源引線長度為1.2米，電阻低，交換機(jī)S的阻抗也低。C1、C2是10F/25VX5R1206的MLCC。功率引線的總電感約為1.5 H，包括連接器在內(nèi)的約10m的電阻。12V直流偏置下兩個電容的實(shí)際總?cè)萘考s為

9f，每個ESR約為5m 。

下圖顯示了這些輸入電路中發(fā)生熱插入事件時發(fā)生的振動過程的模擬結(jié)果。

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從模擬結(jié)果可以看到，這樣的熱插入過程導(dǎo)致的輸入電流高達(dá)大約 30A，由引線電感和輸入電容導(dǎo)致的電壓振蕩波形的峰值幾乎可以達(dá)到直流輸入電壓的 2 倍。
下圖顯示的是對同樣的電路進(jìn)行熱插入測試的情形，其中的開關(guān) S 被換成了 MOSFET，該 MOSFET 是用脈沖發(fā)生器驅(qū)動的，目的是讓熱插入的動作變成是穩(wěn)定的，同時也是可以重復(fù)的。

從上圖可以看到，實(shí)際的熱插入事件導(dǎo)致了比理論上更高的振蕩電壓峰值，這是由于 MLCC 輸入電容在直流偏置電壓下的電容量的非線性變化導(dǎo)致的，它的這種特性在圖中的右側(cè)顯示出來。當(dāng)電容上的電壓升高時，它的電容量會下降，對其充電的電流進(jìn)入更小的電容后就會得到更高的電壓。在此案例中， 12V 電源的熱插入事件能導(dǎo)致大約 30V 的最高電壓峰值。

消除熱插入期間電壓尖峰的措施

上面已經(jīng)解釋過熱插入期間電壓尖峰發(fā)生的原因，下圖 將與輸入電路有關(guān)的參數(shù)表達(dá)了出來：電源供應(yīng)器的內(nèi)阻Ri，電源傳輸線的電感 Lwire 和電阻 Rwire，具有低 ESR 的輸入電容。

有多種方法可以降低熱插入期間的電壓振鈴信號的幅度：

方法 1： 大多數(shù)電源供應(yīng)器是使用了很大的輸出電容的開關(guān)模式電源適配器，這種電路的輸出阻抗很低，遇到熱插入事件時可以快速生成大電流。如下圖那樣增加一個共模電感和一只 ESR 比較高的小型電解電容，適配器的輸出阻抗就會增加，諧振過程會受到抑制。

方法 2： 使用較小線徑的適配器電纜來增加電纜的阻抗。為了達(dá)成好的諧振抑制效果，電纜的阻抗應(yīng)該大于 0.3Ω，其壞處是電纜上的壓降會增加。
方法 3： 增加電纜兩條線間的耦合程度。兩線間更好的耦合可以形成相反的磁場，這對諧振的抑制有幫助。如下圖顯示了對 75cm 長、規(guī)格為 18AWG 的同軸電纜的模擬，根據(jù)漏感測試的結(jié)果，兩線間的耦合度大概為 0.8。

通過使用不同類型的電纜進(jìn)行測量，可以確認(rèn)耦合良好的線對諧振過程會有更好的抑制效果，相應(yīng)的熱插入過程所導(dǎo)致的電壓尖峰也更低。
方法 4： 由 LC 電路形成的諧振可以通過給輸入電容并聯(lián)一個 RC 電路進(jìn)行抑制， RC 電路的參數(shù)可用下述方法進(jìn)行計算，RS 的計算公式如下圖：其中 LP是電纜的電感量， CIN是系統(tǒng)的輸入電容， ξ 是希望的抑制系數(shù)。在前述的熱插入案例中， LP 大約是 1.5μH， CIN 在 12V 時為 9μF。當(dāng)我們選擇良好的抑制效果(ξ = 1)時， RS = 0.2?。抑制電容 CS 的值必須足夠大以避免它在熱插入造成的電流脈沖出現(xiàn)期間被過度充電，其電壓增量 VC = IC * 1/ωC，其中的 ω 是 LP 和 CIN 的諧振頻率（測量數(shù)據(jù)大約是 40kHz）。由于電流脈沖的幅度是 35A，要想使充電造成的電壓增量小于 2V，我們需要電容的值大于 70μF。

在加入 100μF 和 0.2Ω 的 RC 電路后，針對上述的熱插入案例再次進(jìn)行仿真模擬，我們可以看到諧振被完全抑制住了，電壓的過沖低于 2V，參見下圖所示。

在實(shí)踐應(yīng)用中，RC 抑制電路可以很容易地通過使用一只 100μF/25V 的電解電容實(shí)現(xiàn)，它需要和陶瓷輸入電容并聯(lián)在一起。之所以這么簡單，是因為大多數(shù) 100μF 的電解電容在 100kHz 頻率下有大約 0.2Ω 的 ESR。在下圖中的右側(cè)電路就在輸入端加入了 100μF/25V 電解電容，熱插入試驗表明其輸入端的過沖會被完全抑制掉，不會有損毀風(fēng)險再出現(xiàn)在 IC 上。

其他造成電源 IC 輸入端 EOS 的原因

除了熱插入造成的沖擊以外，還有其他一些狀況可能造成電源 IC 輸入端受到 EOS 的攻擊：
a.USBB 輸出端短路測試造成 USB 開關(guān)輸入端損毀
下圖顯示的是一個典型的 USB 開關(guān)的應(yīng)用電路圖，有一個 1μF 的去耦電容放在靠近 IC 輸入端的地方，電容前面有大約 10cm 的銅箔路徑將它和 5V 主電源連接起來。

USB 端口都需要進(jìn)行短路測試， 這個測試通過一個開關(guān)來模擬， IC 需要在偵測到短路以后快速將其 MOSFET 開關(guān)關(guān)斷。從上圖中的實(shí)例可以看到， MOSFET 開關(guān)關(guān)斷的動作是有延時的，因而會有一個短時大電流流過 IC 之后關(guān)斷才會發(fā)生。由于輸入線有電感存在，此電感和輸入端去耦電容 C2 會一起發(fā)生諧振，因而可在示波器上看見輸入端出現(xiàn)了高壓脈沖，這很可能超過 IC 的最高耐壓能力并將其損毀。
為了解決這樣的可靠性隱患，用于熱插入風(fēng)險防范的類似措施可以被納入考慮范圍，因此我們要在電路中加入類似電解電容的 RC 抑制電路。抑制電路的參數(shù)計算方法是類似的，我們可以利用開關(guān)關(guān)斷過程的 dI/dt 計算電容的值。實(shí)際上，一個 47μF 的電解電容就可以將電壓峰值控制在大約 6V 上，如下圖 所示。

b. Buck 轉(zhuǎn)換器的反向偏置問題
工作在強(qiáng)制 PWM 模式下的 Buck 轉(zhuǎn)換器在經(jīng)由輸出端反向偏置時會表現(xiàn)出 Boost 轉(zhuǎn)換器的行為。
假如轉(zhuǎn)換器的輸出端由高于預(yù)設(shè)輸出電壓的外部電源供電時， IC 內(nèi)部的下橋 MOSFET 會從輸出端吸入電流，再與上橋 MOSFET 一起形成一個Boost 轉(zhuǎn)換器。如下圖所示，該電路的輸出端就由一個緩慢上升的 5V 電源供電，它的輸入端電壓將上升并最終將其 ESD 單元擊穿。

像這種電源反向偏置的情況并不經(jīng)常發(fā)生，但在存在電池的系統(tǒng)中就很容易出現(xiàn)。又假如在某些設(shè)計中使用了動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)（通過反饋網(wǎng)絡(luò)對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)），如果輸出電容很大，又恰好遇到了輸出電壓的設(shè)定突然變低，Boost 的動作就會發(fā)生了。

總結(jié)

電源 IC 的損壞經(jīng)常是由于輸入電壓過應(yīng)力造成的，這在電源熱插入導(dǎo)致出現(xiàn)過高電壓尖峰或由線路電感和低 ESR 陶瓷電容形成諧振時就會發(fā)生。
當(dāng)電源 IC 輸入端的 ESD 單元遇到超過其能量承擔(dān)水平的沖擊能量時就會被損壞。造成 IC 損壞的 EOS 能量通常要比正常的人體模式（ HBM） ESD 能量高好幾倍。當(dāng) ESD 單元被損壞的時候，作為其承載體的硅晶圓也會受到傷害。在大多數(shù)情況下，承載體的損壞會直接導(dǎo)致功率級的不正常運(yùn)作，引起直通短路、功率級燒毀等問題。
具有折返特性的 ESD 單元在被觸發(fā)以后可能保持在低于工作電壓的電壓上，這會在被觸發(fā)之后立即導(dǎo)致大電流的出現(xiàn)。
由于熱插入事件和電源線上的諧振效應(yīng)都會將電壓尖峰引入 IC 輸入端，因而在電源設(shè)計過程中必須對這樣的瞬態(tài)過程進(jìn)行檢查，確保在任何情況下都不會在 IC 輸入端形成高電壓。由于 ESD 單元的激活電壓總是高于器件的絕對最大額定值，應(yīng)用中能夠出現(xiàn)的電壓就不能超過 IC 的絕對最大額定值，以便確保 ESD 單元在工作過程中不會被激活。

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