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作者：KernWong ，德州儀器(TI) 首席應用工程師 引言 汽車系統以及在汽車上充電或者工作的移動設備內部的功率MOSFET，可能工作在惡劣的環境下，并承受來自電源設備和發射器的大強度瞬態。另外，空氣中以及電路板裸露導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事件（例如：過載、電磁耦合和工作環境產生的易發尖峰等），會導致產生破壞性的電氣過應力（EOS）狀態。這種狀態可能會使強電流在非常短的時間內流過MOSFET功率開關。 本文為您介紹將外部反饋組件用于移動式車載應用的高頻開關和穩壓器的特殊設計考慮和故障分析，目的是幫助廣大設計人員熟悉可能導致片上功率開關損毀的各種機制和環境。我們討論了避免和消除EOS狀態影響的一些方法和技術，幫助改進終端用戶產品和PCB設計。本文還介紹了一些進行實驗室測試的小技巧，并給出了避免高密度/超緊湊型移動設計出現問題的優秀工程方法。 案例研究 2011年，一名設計人員報告稱在進行室內測試時TI LM26484 PMU降壓DC/DC轉換器的NMOS開關短路。這種穩壓器被集成到一種新的儀表板內。由一個降壓轉換器供電的LED燈組工作在輕負載狀態下。TI要求設計人員對時鐘周圍的電源引腳電壓進行監測，看是否出現6V以上的瞬態。他們證實瞬態尖峰達到8V以上，持續時間數百納秒，且經常出現。器件的電源引腳絕對最大限制為VIN=6V！ 人們懷疑當p-（well）基極使發射極向上偏離n+ (S)時（電源器件中一種典型的EOS狀態），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結構和相關寄生組件的模截面
圖2 相關寄生組件典型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。為了防止再次出現這種情況，TI已經建議改進設計指導方法。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計，使用更多的電容器覆蓋更寬的頻率帶。這些預防措施（實施方法如圖4所示），將使大瞬態不會對PMU的集成電路產生應力傷害。
圖3 兩個LM26484的PCB擁有4個降壓轉換器和2個LDO
圖4 一種更加穩健的線壓濾波器和旁路舉例 一種更加復雜的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布局 2012年，又有一名客戶報告相同系列產品的另一種PMU出現數次故障。這種PMU擁有雙降壓轉換器和雙LDO。在系統離開工廠不久，該降壓轉換器便在短路和開路之間切換。在車載應用中，這種PMU通過一個降壓電源驅動。2014年開始，許多信息娛樂和安全系統將成為汽車的標準設備，預計PMU生產速率將增加約十倍，從而讓其受到各相關方的關注。盡管在嚴格的客戶器件和板級應力測試中并未發現異常，但還是出現了一些少見故障。總之，車載應用涉及許多眾所周知的原理和因素，其有可能會引發異常輸入電壓瞬態，從而導致器件損壞。 常見EOS 原因 許多PMU 上的EOS 狀態均產生自設計考慮不周或者忽略了一些系統的微波寄生問題。在工業/車載應用中更是如此，因為一些特-殊環境條件或者機電布局差異體現可靠性問題。EOS 還會與制造過程、測試和組件老化有關。 下面的內容介紹一些最常見的EOS 原因。我們還為您提供了相應的設計小貼士和建議，幫助廣大設計人員消除EOS 問題。我們詳細說明了一種典型的故障機理識別方法。若想了解更多信息，強烈建議讀者通過故障模式機理與效應分析（FMMEA ）研究故障的物理性。 車載應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）開始保護以前班上PMU的控制、時序和決策電路可能就會出現故障。結果，直接導通和分離鉗位等不良效應便會對MOS開關產生應力，時間一長可引起永久性損壞。 高壓、快沿速率瞬態是引起期間瞬間損壞的另一個常見原因。例如，隨便地從交流發電機連接口取下12V電池時，便會發生負責傾卸。由于較長的接線存在電感效應，因此100V以上時負載會承受電位突然上升，其在降至正常水平以前會持續數百毫秒時間。 快速瞬態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，可能導致出現完全失控狀態。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，它便會使器件在數納秒內短路，或者導致出現雪崩擊穿。另外，如果遇到強烈而突然的機械振動，不牢固或者不牢靠的電池線纜連接會出現類似的高壓瞬態。 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的額定電壓。走線的漏電感和寄生電感，是引起開關脈沖端形成的最大、最嚴重L（di/dt）過應力脈沖的根源之一。如前所述，這些高能量脈沖會導致器件擊穿。因此，必須采取適當的預防措施來消除這些不需要的電感通路。例如，應盡可能靠近器件軌引腳放置旁路電容器。在所有高瞬態通路上盡可能使用粗金屬導線，以進一步降低寄生電感。最后，應正確地使用瞬態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/或異常負載電容器的短路輸出 當某個開關的輸出電流（IOUT負載）超出額定限制時，內置保護電路通常會阻止對器件的直接損壞。但是，頻繁出現的過壓電流事件會導致累計EOS狀態，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，其范圍通常為數微秒，而保護電路此時還沒有起作用。與真正的負載短路不同，異常輸出電容器可影響低阻抗通路，其形成一個與最大負載并聯的動態短路電流--從而產生另一個持續EOS狀態。 同步開關臨時高過電流工作 相比MOSFET開關本身，MOSFET體二極管通常有一個較長的反向恢復時間。如果一個MOSFET的體二極管在對面補充器件開啟時仍然導電，則出現類似于直通的短路狀態。這種狀態的產生是由于寄生或者電路或器件設計帶來的時序問題（參見圖1和2）。另外，內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開關的體二極管，因為一個關閉時另一個開啟。這是一種典型的寄生電容機制C（dv/dt），其具有高速開關，而這種高速開關會導致持續的高峰值電流瞬態，并且不依賴于負載狀態。 結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。利用更加精確的設計和傳動電路模擬以及（或者）通過增加保護器件（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。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結點，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效率。 器件故障確認與分析 故障分析（FA）利用目視檢查、阻抗測試、X射線、SAT.SAM、輻射熱點OBIRCH分析、SEM和SCM工具和技術等，目的是找出故障模式機理和器件故障的根本原因。故障分析還要檢查客戶設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故障的原因。在找到故障原因以后，TI會為內部和外部客戶提供相關建議和預防措施，幫助防止再次發生此類故障。 故障模式機理 1. 靜電放電（ESD）破壞或者柵極浪涌： 器件和系統裝配和測試期間的錯誤操作，會導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/或形成達到開關電路的外部高壓浪涌事件。 例如，在手機或者平板電腦通信端口連接器與指尖之間發生的一次ESD事件，便可能會導致永久性的系統損壞。隨著生產過程技術節點的不斷壓縮，器件級ESD保護已不足以滿足系統級要求。瞬態吸收器或者瞬態電壓抑制器，例如：TI的TPD1E10B06保護二極管等，較好地彌補了這方面的不足。 2. 磨損機理 在極端溫度周期循環下可出現芯片斷裂 隨時間推移，高壓應力可能誘發電介質擊穿，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 電源線電壓瞬態可引起芯片無源和有源器件損壞 3. PCB 組成與環境： 由于濕度、雜質或者變為導體的細線，可能發生電路故障 由于沖擊、振動、材料疲勞等，可能發生芯片斷裂 高溫應力條件下，聚合物強度可能失去（稱作玻璃轉化失效） 旁路和負載電容器可能漏電或者短路 高溫應力或者機械振動條件下，由于絕緣材料的磨損，電感繞組可能會短路 4、組件老化和機能不全： 由于老化組件會促進MOSFET 故障（它們起初能夠達到數據表規范），因此我們鼓勵制造和產品工程部柵-極以稍高于數據表極限的額定值來進行部件老化測試。這樣做可以確保將那些本身有晶片缺陷密度和隨機程序相關問題的邊緣器件剔除出去。即使產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。 故障分析結果 在前面提到的那個2012 年案例中，開關的漏極和源通道均集成到車載應用中，客戶無法確定是PMU IC 、電路板還是子系統存在可靠性問題。它們中的每一個都經過了嚴格的測試，并承受過超出規范極限的應力，均沒有出現故障。原因可能是布局、電氣管線、系統安裝和/或工作狀態，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驗室中重現這種故障，因此他們需要證實故障，并向TI 尋求幫助。圖6和7說明了室內故障分析結果的一些例子。
故障分析顯示，芯片內反映的燒痕可能是EOS 狀態的結果。為了驗證這種假設，可在一些實驗室裝置上誘發這種故障，模擬（1）5V 工作和（2）啟動狀態。利用一個吉時利（Keithley）2420 3A 電源表（一種萬能電源，可對其振幅、頻率和導通/關閉時間進行編程），VIN 編程為5V ，并注入50ms 脈沖，每100ms 間隔時間重復一次。負載為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，我們通過目視證實了EOS 的存在。結果顯示，當峰到峰脈沖電壓達到約7.5V 或者更高時，開關短路。另外，如果脈沖要達到9V 峰值，則ESD 結構也可能被損壞。但是，再現啟動期間開關短路很有挑戰性。一個實驗電源讓降壓轉換器不斷重復導通和關閉，這時VIN 出現相對慢而平穩的啟動瞬態，并在約6ms 后穩定下來（圖8）。即使讓電源設置稍高于7V ，經過數天的應力測試，開關也不會故障。
為了更加真實地模擬車上的條件，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，用一個機械開關代替電源的軟性反復開關方法，這樣機械彈力和顫動更像由機械繼電器觸點引起的瞬態（圖9）。
測試的電源輸出設置為5.0V ，開關工作20 次。如果沒-有檢測到過電流故障，則電源電壓增加0.2V ，開關再工作20 次，該過程一直重復直到組件故障為止。結果，我們取得了巨大的成功！電源輸出在7.5VDC 時，降壓轉換器的高或低側開關出現短路。使用一個10pF 探針監測的VIN 引腳出現了更快速的導通瞬態，其導致一次20 μs 的11V 以上過沖。實際L(di/dt) 可能要高很多，從而形成一種可重復破壞性EOS 狀態。對于這種實驗裝置能夠再現與現實狀況一樣的故障，這名客戶非常高興。 結論 本文討論了集成電源管理與電壓穩壓器電路中MOSFET 瞬態相關的一些常見器件故障機理。我們還介紹了許多通用預防措施、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，本文能夠幫助系統和PCB 設計人員了解一些看似溫和無害的寄生組件-的EOS 效應，它們會遭受PMU 工作環境的瞬態。另外，本文還可以幫助產品和現場技術支持人員理解EOS 的原因和影響，促進與客戶的溝通和交流。 |
