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详解电源IC失效分析

时间:2022-06-12 11:46来源:www.ictest8.com 作者:ictest8 点击:

在我们项目开发和产品量产过程中总是会出现一些 IC 损坏的现象,通常要想找出这些 IC损坏的根本原因并不总是很容易。有些偶发性的损坏很难被重现,这时的难度就会更大。而且有些时候 IC 的失效表现简直就是破坏性的,可能IC已经被烧得一塌糊涂,即使求助IC原厂分析,往往也不一定能找出失效的根本原因,出现这种情况,作为工程师的你估计头皮要感觉到阵阵发麻了。

 

电源 IC 的失效常常是其输入端受到电气过应力( EOS)的结果。在很多情况下,器件失效的原因都是输入电压太高了。本文对电源 IC 输入端 ESD 保护单元的结构进行了解释,说明了它们在受到 EOS 攻击时是如何受损的。造成 EOS 攻击事件的原因常常是热插入和导线或路径电感与低 ESR 陶瓷电容结合在一起形成的瞬态效应。在电路设计中采用一些特别的设计可以避免 EOS 的发生,防范它们
可能带来的危害。本文也将对 Buck 转换器输入端的结构进行介绍,给出过高的输入电压造成器件损坏的机制,通过不同的应用案例说明过高的输入电压是如何发生的,还将提供相应的问题解决方案。

 

Buck 转换器输入端的结构

下图显示了一个Buck转换器 IC 内部的基本构成,其中包含了几个静电释放( ESD)防护单元。

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上图中,电源输入端 VIN 被一个很大的 ESD 单元保护着,其保护范围包括内部稳压器和 MOSFET, 因而可以承受很高的静电电压。SW 端子内部通常没有 ESD 单元,因为大型 MOSFET 本身就可以像 ESD 保护单元一样动作,静电电流可经其内部体二极管流向 GND 或 VIN 端,也可利用它们的击穿特性实现保护。BOOT 端有一个 ESD 单元处于它和 SW 之间,其它小信号端子也各有一个小型的 ESD 单元,它们通常都和输入串联电阻一起保护这些小信号端子免受静电放电的危害。

 

ESD 和 EOS 的差异

当超过 ESD 单元钳位电压的过电压出现在 IC 端子上时, IC 会不会损坏就取决于 ESD 元件被击穿期间通过它的能量的多少。
ESD( Electro Static Discharge, 静电释放)和 EOS( Electrical Over Stress, 电气过应力)都是与电压过应力有关的概念,但它们之间的差异也很明确:

ESD 的电压很高( > 500V),持续时间相对较短( < 1µs)

EOS 的电压相对较低( < 100V),持续时间更长一些(通常 > 1µs)

当持续时间更长的 EOS 事件发生时,冲击 ESD 保护单元的能量就会更多,常常超出 ESD 保护单元的最大冲击能量承受能力,这样就会在 ESD 保护单元中积累太多的热量,最终导致严重的毁灭性结果。通常情况下,芯片中支撑ESD 保护单元的其他部分也会连带着一起受损。

 

电源热插入导致的输入端过应力

一种造成电源 IC 输入端受到 EOS 冲击的常见原因是电源的热插入事件,这种事件发生在处于开机状态的电源被引入一个系统的时候。这种系统的输入端通常含有低 ESR 的陶瓷输入电容,它们与电源引线的电感一起发生谐振,可以导致高压振荡信号的出现。下图显示的就是这样的场景,其中的电源是开着的,有两根引线将电源接入应用系统,其中的开关 S 用于模拟热插入的行为。

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出现在系统输入端的电压振荡信号的幅度与很多因素有关:电源供应器的内阻,引线的电阻和电感量,开关 S 的电阻,输入电容 C1、 C2 的电容量和它们的 ESR 的大小。
作为一个例子,我们假设 12V 电源供应器具有很大的输出电容,电源引线的长度为 1.2m 并且具有很低的电阻,开关S 的阻抗也是很低的, C1、 C2 是 10µF/25V X5R 1206 的 MLCC。电源引线的总电感大约为 1.5µH,包括连接器在内其电阻约为 10mΩ。两只电容在 12V 直流偏置下的实际总容量约
为 9µF,而且它们各自的 ESR 约为 5mΩ。
下图显示了热插入事件发生在这样的输入电路时的振荡过程的模拟结果。

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从模拟结果可以看到,这样的热插入过程导致的输入电流高达大约 30A,由引线电感和输入电容导致的电压振荡波形的峰值几乎可以达到直流输入电压的 2 倍。
下图显示的是对同样的电路进行热插入测试的情形,其中的开关 S 被换成了 MOSFET,该 MOSFET 是用脉冲发生器驱动的,目的是让热插入的动作变成是稳定的,同时也是可以重复的。

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