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详解电源IC失效分析(2)

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

 

从上图可以看到,实际的热插入事件导致了比理论上更高的振荡电压峰值,这是由于 MLCC 输入电容在直流偏置电压下的电容量的非线性变化导致的,它的这种特性在图中的右侧显示出来。当电容上的电压升高时,它的电容量会下降,对其充电的电流进入更小的电容后就会得到更高的电压。在此案例中, 12V 电源的热插入事件能导致大约 30V 的最高电压峰值。

 

消除热插入期间电压尖峰的措施

上面已经解释过热插入期间电压尖峰发生的原因,下图 将与输入电路有关的参数表达了出来:电源供应器的内阻Ri,电源传输线的电感 Lwire 和电阻 Rwire,具有低 ESR 的输入电容。

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有多种方法可以降低热插入期间的电压振铃信号的幅度:

方法 1:大多数电源供应器是使用了很大的输出电容的开关模式电源适配器,这种电路的输出阻抗很低,遇到热插入事件时可以快速生成大电流。如下图那样增加一个共模电感和一只 ESR 比较高的小型电解电容,适配器的输出阻抗就会增加,谐振过程会受到抑制。

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方法 2:使用较小线径的适配器电缆来增加电缆的阻抗。为了达成好的谐振抑制效果,电缆的阻抗应该大于 0.3Ω,其坏处是电缆上的压降会增加。
方法 3:增加电缆两条线间的耦合程度。两线间更好的耦合可以形成相反的磁场,这对谐振的抑制有帮助。如下图显示了对 75cm 长、规格为 18AWG 的同轴电缆的模拟,根据漏感测试的结果,两线间的耦合度大概为 0.8。

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通过使用不同类型的电缆进行测量,可以确认耦合良好的线对谐振过程会有更好的抑制效果,相应的热插入过程所导致的电压尖峰也更低。
方法 4:由 LC 电路形成的谐振可以通过给输入电容并联一个 RC 电路进行抑制, RC 电路的参数可用下述方法进行计算,RS 的计算公式如下图:其中 LP是电缆的电感量, CIN是系统的输入电容, ξ 是希望的抑制系数。在前述的热插入案例中, LP 大约是 1.5µH, CIN 在 12V 时为 9µF。当我们选择良好的抑制效果(ξ = 1)时, RS = 0.2Ω。抑制电容 CS 的值必须足够大以避免它在热插入造成的电流脉冲出现期间被过度充电,其电压增量 VC = IC * 1/ωC,其中的 ω 是 LP 和 CIN 的谐振频率(测量数据大约是 40kHz)。由于电流脉冲的幅度是 35A,要想使充电造成的电压增量小于 2V,我们需要电容的值大于 70µF。

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在加入 100µF 和 0.2Ω 的 RC 电路后,针对上述的热插入案例再次进行仿真模拟,我们可以看到谐振被完全抑制住了,电压的过冲低于 2V,参见下图所示。

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在实践应用中,RC 抑制电路可以很容易地通过使用一只 100µF/25V 的电解电容实现,它需要和陶瓷输入电容并联在一起。之所以这么简单,是因为大多数 100µF 的电解电容在 100kHz 频率下有大约 0.2Ω 的 ESR。在下图中的右侧电路就在输入端加入了 100µF/25V 电解电容,热插入试验表明其输入端的过冲会被完全抑制掉,不会有损毁风险再出现在 IC 上。

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