|
作者：KernWong ，德州儀器(TI) 首席應(yīng)用工程師 引言 汽車系統(tǒng)以及在汽車上充電或者工作的移動設(shè)備內(nèi)部的功率MOSFET，可能工作在惡劣的環(huán)境下，并承受來自電源設(shè)備和發(fā)射器的大強(qiáng)度瞬態(tài)。另外，空氣中以及電路板裸露導(dǎo)電表面的腐蝕性污染物，會引起低阻抗通路。時間一長，這些低阻抗通路和瞬態(tài)事件（例如：過載、電磁耦合和工作環(huán)境產(chǎn)生的易發(fā)尖峰等），會導(dǎo)致產(chǎn)生破壞性的電氣過應(yīng)力（EOS）狀態(tài)。這種狀態(tài)可能會使強(qiáng)電流在非常短的時間內(nèi)流過MOSFET功率開關(guān)。 本文為您介紹將外部反饋組件用于移動式車載應(yīng)用的高頻開關(guān)和穩(wěn)壓器的特殊設(shè)計考慮和故障分析，目的是幫助廣大設(shè)計人員熟悉可能導(dǎo)致片上功率開關(guān)損毀的各種機(jī)制和環(huán)境。我們討論了避免和消除EOS狀態(tài)影響的一些方法和技術(shù)，幫助改進(jìn)終端用戶產(chǎn)品和PCB設(shè)計。本文還介紹了一些進(jìn)行實(shí)驗室測試的小技巧，并給出了避免高密度/超緊湊型移動設(shè)計出現(xiàn)問題的優(yōu)秀工程方法。 案例研究 2011年，一名設(shè)計人員報告稱在進(jìn)行室內(nèi)測試時TI LM26484 PMU降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的NMOS開關(guān)短路。這種穩(wěn)壓器被集成到一種新的儀表板內(nèi)。由一個降壓轉(zhuǎn)換器供電的LED燈組工作在輕負(fù)載狀態(tài)下。TI要求設(shè)計人員對時鐘周圍的電源引腳電壓進(jìn)行監(jiān)測，看是否出現(xiàn)6V以上的瞬態(tài)。他們證實(shí)瞬態(tài)尖峰達(dá)到8V以上，持續(xù)時間數(shù)百納秒，且經(jīng)常出現(xiàn)。器件的電源引腳絕對最大限制為VIN=6V！ 人們懷疑當(dāng)p-（well）基極使發(fā)射極向上偏離n+ (S)時（電源器件中一種典型的EOS狀態(tài)），寄生NPN（由n+ (S)、p–(well)和n+(D)組成，如圖1所示）可能猛然開啟。圖2顯示了帶寄生組件的MOSFET器件的等效電路模型。 
圖1 典型MOSFET結(jié)構(gòu)和相關(guān)寄生組件的模截面
圖2 相關(guān)寄生組件典型MOSFET的模型 查看PCB布局（圖3）我們知道，電源引腳的頂部線路有一個接進(jìn)電源層的過孔，而其更長的線路讓旁路電容器無效。為了防止再次出現(xiàn)這種情況，TI已經(jīng)建議改進(jìn)設(shè)計指導(dǎo)方法。例如，需在VIN和接地層之間添加足夠大的大容量電容器。另外，還需要增加本地旁路設(shè)計，使用更多的電容器覆蓋更寬的頻率帶。這些預(yù)防措施（實(shí)施方法如圖4所示），將使大瞬態(tài)不會對PMU的集成電路產(chǎn)生應(yīng)力傷害。
圖3 兩個LM26484的PCB擁有4個降壓轉(zhuǎn)換器和2個LDO
圖4 一種更加穩(wěn)健的線壓濾波器和旁路舉例 一種更加復(fù)雜的EOS消除解決方案是將旁路電容器更加靠近電源和接地引腳放置，如圖5所示。注意，電源-接地線路被加寬，并可自由更大的過孔。我們建議客戶使用這種解決方案。
圖5 旁路電容器更靠近電源和接地引腳的改進(jìn)布局 2012年，又有一名客戶報告相同系列產(chǎn)品的另一種PMU出現(xiàn)數(shù)次故障。這種PMU擁有雙降壓轉(zhuǎn)換器和雙LDO。在系統(tǒng)離開工廠不久，該降壓轉(zhuǎn)換器便在短路和開路之間切換。在車載應(yīng)用中，這種PMU通過一個降壓電源驅(qū)動。2014年開始，許多信息娛樂和安全系統(tǒng)將成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，預(yù)計PMU生產(chǎn)速率將增加約十倍，從而讓其受到各相關(guān)方的關(guān)注。盡管在嚴(yán)格的客戶器件和板級應(yīng)力測試中并未發(fā)現(xiàn)異常，但還是出現(xiàn)了一些少見故障。總之，車載應(yīng)用涉及許多眾所周知的原理和因素，其有可能會引發(fā)異常輸入電壓瞬態(tài)，從而導(dǎo)致器件損壞。 常見EOS 原因 許多PMU 上的EOS 狀態(tài)均產(chǎn)生自設(shè)計考慮不周或者忽略了一些系統(tǒng)的微波寄生問題。在工業(yè)/車載應(yīng)用中更是如此，因為一些特-殊環(huán)境條件或者機(jī)電布局差異體現(xiàn)可靠性問題。EOS 還會與制造過程、測試和組件老化有關(guān)。 下面的內(nèi)容介紹一些最常見的EOS 原因。我們還為您提供了相應(yīng)的設(shè)計小貼士和建議，幫助廣大設(shè)計人員消除EOS 問題。我們詳細(xì)說明了一種典型的故障機(jī)理識別方法。若想了解更多信息，強(qiáng)烈建議讀者通過故障模式機(jī)理與效應(yīng)分析（FMMEA ）研究故障的物理性。 車載應(yīng)用中電池和接線引起的EOS 無路何時，只要汽車的12V電池電壓過低（例如，寒冷天氣下啟動引擎時），在欠壓鎖定（UVLO）開始保護(hù)以前班上PMU的控制、時序和決策電路可能就會出現(xiàn)故障。結(jié)果，直接導(dǎo)通和分離鉗位等不良效應(yīng)便會對MOS開關(guān)產(chǎn)生應(yīng)力，時間一長可引起永久性損壞。 高壓、快沿速率瞬態(tài)是引起期間瞬間損壞的另一個常見原因。例如，隨便地從交流發(fā)電機(jī)連接口取下12V電池時，便會發(fā)生負(fù)責(zé)傾卸。由于較長的接線存在電感效應(yīng)，因此100V以上時負(fù)載會承受電位突然上升，其在降至正常水平以前會持續(xù)數(shù)百毫秒時間。 快速瞬態(tài)的高壓尖峰會通過端電容從MOSFET漏端傳播至柵極。它會迅速地使柵極電壓偏置升高，可能導(dǎo)致出現(xiàn)完全失控狀態(tài)。正常情況下，稍微超出建議最大工作電源電壓并不會成為一種破壞性的事件。但是，當(dāng)電源電壓超出最大水平并維持足夠的能量時，它便會使器件在數(shù)納秒內(nèi)短路，或者導(dǎo)致出現(xiàn)雪崩擊穿。另外，如果遇到強(qiáng)烈而突然的機(jī)械振動，不牢固或者不牢靠的電池線纜連接會出現(xiàn)類似的高壓瞬態(tài)。 不足或較差的電源旁路 電源旁路不足可引起異常工作，可能導(dǎo)致時序問題帶來的直通壓力。正確的旁路電容器必須有一個足以覆蓋峰值電壓瞬態(tài)的額定電壓。走線的漏電感和寄生電感，是引起開關(guān)脈沖端形成的最大、最嚴(yán)重L（di/dt）過應(yīng)力脈沖的根源之一。如前所述，這些高能量脈沖會導(dǎo)致器件擊穿。因此，必須采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施來消除這些不需要的電感通路。例如，應(yīng)盡可能靠近器件軌引腳放置旁路電容器。在所有高瞬態(tài)通路上盡可能使用粗金屬導(dǎo)線，以進(jìn)一步降低寄生電感。最后，應(yīng)正確地使用瞬態(tài)抑制組件或類似方法，以削弱潛在破壞性的高壓尖峰。 過載和/或異常負(fù)載電容器的短路輸出 當(dāng)某個開關(guān)的輸出電流（IOUT負(fù)載）超出額定限制時，內(nèi)置保護(hù)電路通常會阻止對器件的直接損壞。但是，頻繁出現(xiàn)的過壓電流事件會導(dǎo)致累計EOS狀態(tài)，時間一長，它會引起永久性器件損壞。這類損壞與有限延遲時間有關(guān)，其范圍通常為數(shù)微秒，而保護(hù)電路此時還沒有起作用。與真正的負(fù)載短路不同，異常輸出電容器可影響低阻抗通路，其形成一個與最大負(fù)載并聯(lián)的動態(tài)短路電流--從而產(chǎn)生另一個持續(xù)EOS狀態(tài)。 同步開關(guān)臨時高過電流工作 相比MOSFET開關(guān)本身，MOSFET體二極管通常有一個較長的反向恢復(fù)時間。如果一個MOSFET的體二極管在對面補(bǔ)充器件開啟時仍然導(dǎo)電，則出現(xiàn)類似于直通的短路狀態(tài)。這種狀態(tài)的產(chǎn)生是由于寄生或者電路或器件設(shè)計帶來的時序問題（參見圖1和2）。另外，內(nèi)部寄生電感和電容可存儲能量。在某些條件下，額外電流可能會自由流過FET開關(guān)的體二極管，因為一個關(guān)閉時另一個開啟。這是一種典型的寄生電容機(jī)制C（dv/dt），其具有高速開關(guān)，而這種高速開關(guān)會導(dǎo)致持續(xù)的高峰值電流瞬態(tài)，并且不依賴于負(fù)載狀態(tài)。 結(jié)合以前我們討論過的電源軌完整性問題時，這類EOS急劇增加。利用更加精確的設(shè)計和傳動電路模擬以及（或者）通過增加保護(hù)器件（例如，在MOSFET漏極和源之間添加一個肖特基二極管），可以改善或者消除這種狀態(tài)。使用肖特基二極管，是防止體二極管被自由電流開啟的一種成熟方法。過多的接地以下欠沖會引起噪聲和開啟寄生pn結(jié)點(diǎn)，消除這種欠沖還可帶來另一個好處--肖特基二極管會適度增加開關(guān)效率。 器件故障確認(rèn)與分析 故障分析（FA）利用目視檢查、阻抗測試、X射線、SAT.SAM、輻射熱點(diǎn)OBIRCH分析、SEM和SCM工具和技術(shù)等，目的是找出故障模式機(jī)理和器件故障的根本原因。故障分析還要檢查客戶設(shè)計或者制造過程中存在常見疏忽問題，而這些問題可能就是出現(xiàn)故障的原因。在找到故障原因以后，TI會為內(nèi)部和外部客戶提供相關(guān)建議和預(yù)防措施，幫助防止再次發(fā)生此類故障。 故障模式機(jī)理 1. 靜電放電（ESD）破壞或者柵極浪涌： 器件和系統(tǒng)裝配和測試期間的錯誤操作，會導(dǎo)致器件接合或者氧化物斷裂損壞（短路或者漏電）。這些因素會把靜電電荷帶至器件上和/或形成達(dá)到開關(guān)電路的外部高壓浪涌事件。 例如，在手機(jī)或者平板電腦通信端口連接器與指尖之間發(fā)生的一次ESD事件，便可能會導(dǎo)致永久性的系統(tǒng)損壞。隨著生產(chǎn)過程技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷壓縮，器件級ESD保護(hù)已不足以滿足系統(tǒng)級要求。瞬態(tài)吸收器或者瞬態(tài)電壓抑制器，例如：TI的TPD1E10B06保護(hù)二極管等，較好地彌補(bǔ)了這方面的不足。 2. 磨損機(jī)理 在極端溫度周期循環(huán)下可出現(xiàn)芯片斷裂 隨時間推移，高壓應(yīng)力可能誘發(fā)電介質(zhì)擊穿，從而成為一個柵極氧化短路電路 由于電流過載引起的EOS ，焊線和金屬線路開路 電源線電壓瞬態(tài)可引起芯片無源和有源器件損壞 3. PCB 組成與環(huán)境： 由于濕度、雜質(zhì)或者變?yōu)閷?dǎo)體的細(xì)線，可能發(fā)生電路故障 由于沖擊、振動、材料疲勞等，可能發(fā)生芯片斷裂 高溫應(yīng)力條件下，聚合物強(qiáng)度可能失去（稱作玻璃轉(zhuǎn)化失效） 旁路和負(fù)載電容器可能漏電或者短路 高溫應(yīng)力或者機(jī)械振動條件下，由于絕緣材料的磨損，電感繞組可能會短路 4、組件老化和機(jī)能不全： 由于老化組件會促進(jìn)MOSFET 故障（它們起初能夠達(dá)到數(shù)據(jù)表規(guī)范），因此我們鼓勵制造和產(chǎn)品工程部柵-極以稍高于數(shù)據(jù)表極限的額定值來進(jìn)行部件老化測試。這樣做可以確保將那些本身有晶片缺陷密度和隨機(jī)程序相關(guān)問題的邊緣器件剔除出去。即使產(chǎn)量為因此而下降一些，但也好過以后花大量的精力和資源處理故障問題。 故障分析結(jié)果 在前面提到的那個2012 年案例中，開關(guān)的漏極和源通道均集成到車載應(yīng)用中，客戶無法確定是PMU IC 、電路板還是子系統(tǒng)存在可靠性問題。它們中的每一個都經(jīng)過了嚴(yán)格的測試，并承受過超出規(guī)范極限的應(yīng)力，均沒有出現(xiàn)故障。原因可能是布局、電氣管線、系統(tǒng)安裝和/或工作狀態(tài)，例如：冷啟動、弱電量或者長/松散電源線纜連接不牢。 由于這名客戶及其承包商均無法在其實(shí)驗室中重現(xiàn)這種故障，因此他們需要證實(shí)故障，并向TI 尋求幫助。圖6和7說明了室內(nèi)故障分析結(jié)果的一些例子。
故障分析顯示，芯片內(nèi)反映的燒痕可能是EOS 狀態(tài)的結(jié)果。為了驗證這種假設(shè)，可在一些實(shí)驗室裝置上誘發(fā)這種故障，模擬（1）5V 工作和（2）啟動狀態(tài)。利用一個吉時利（Keithley）2420 3A 電源表（一種萬能電源，可對其振幅、頻率和導(dǎo)通/關(guān)閉時間進(jìn)行編程），VIN 編程為5V ，并注入50ms 脈沖，每100ms 間隔時間重復(fù)一次。負(fù)載為200mA 及以上時，脈沖振幅以5分鐘間隔以0.5V 增量提高，直到觀察到異常電流。之后，我們通過目視證實(shí)了EOS 的存在。結(jié)果顯示，當(dāng)峰到峰脈沖電壓達(dá)到約7.5V 或者更高時，開關(guān)短路。另外，如果脈沖要達(dá)到9V 峰值，則ESD 結(jié)構(gòu)也可能被損壞。但是，再現(xiàn)啟動期間開關(guān)短路很有挑戰(zhàn)性。一個實(shí)驗電源讓降壓轉(zhuǎn)換器不斷重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)閉，這時VIN 出現(xiàn)相對慢而平穩(wěn)的啟動瞬態(tài)，并在約6ms 后穩(wěn)定下來（圖8）。即使讓電源設(shè)置稍高于7V ，經(jīng)過數(shù)天的應(yīng)力測試，開關(guān)也不會故障。
為了更加真實(shí)地模擬車上的條件，電源和器件的線纜長度從約30cm 增加至約1.5m 。這些較長的連線通常從12V 電池連接至器件，形成更多的電感。另外，用一個機(jī)械開關(guān)代替電源的軟性反復(fù)開關(guān)方法，這樣機(jī)械彈力和顫動更像由機(jī)械繼電器觸點(diǎn)引起的瞬態(tài)（圖9）。
測試的電源輸出設(shè)置為5.0V ，開關(guān)工作20 次。如果沒-有檢測到過電流故障，則電源電壓增加0.2V ，開關(guān)再工作20 次，該過程一直重復(fù)直到組件故障為止。結(jié)果，我們?nèi)〉昧司薮蟮某晒Γ‰娫摧敵鲈?.5VDC 時，降壓轉(zhuǎn)換器的高或低側(cè)開關(guān)出現(xiàn)短路。使用一個10pF 探針監(jiān)測的VIN 引腳出現(xiàn)了更快速的導(dǎo)通瞬態(tài)，其導(dǎo)致一次20 μs 的11V 以上過沖。實(shí)際L(di/dt) 可能要高很多，從而形成一種可重復(fù)破壞性EOS 狀態(tài)。對于這種實(shí)驗裝置能夠再現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)狀況一樣的故障，這名客戶非常高興。 結(jié)論 本文討論了集成電源管理與電壓穩(wěn)壓器電路中MOSFET 瞬態(tài)相關(guān)的一些常見器件故障機(jī)理。我們還介紹了許多通用預(yù)防措施、具體PCB 布局方法和組件選擇技巧等，幫助緩解和消除EOS 問題。我們希望，本文能夠幫助系統(tǒng)和PCB 設(shè)計人員了解一些看似溫和無害的寄生組件-的EOS 效應(yīng)，它們會遭受PMU 工作環(huán)境的瞬態(tài)。另外，本文還可以幫助產(chǎn)品和現(xiàn)場技術(shù)支持人員理解EOS 的原因和影響，促進(jìn)與客戶的溝通和交流。 |
