【电源管理芯片是怎么坏的】电源IC怎么坏了？电源IC损坏过载分析

在我们的项目开发和产品量产过程中，总是会发生IC损坏，一般来说，要找出这些IC损坏的根本原因并不总是容易的。某些偶发损伤很难再现，这时难度会更大。而且，有时IC的失效表现简直是毁灭性的。IC可能已经完全烧光了。即使求助于IC工厂分析，也经常找不到失效的根本原因。作为工程师，头皮预计会麻痹。

电源IC的故障经常导致输入端出现电气过载(EOS)。很多情况下，部件故障的原因都是输入电压太高。本文介绍了电源IC输入ESD保护装置的结构，并说明了它在受到EOS攻击时是如何受损的。EOS攻击事件的原因往往是热插入与电线或路径电感和低ESR陶瓷电容相结合而形成的瞬态效应。在电路设计中使用一些特殊设计可以防止和防止EOS的发生。

可能发生的危险。本文还介绍了Buck转换器输入端的结构，提供了输入电压过高导致部件损坏的机制，通过多个应用实例说明了输入电压是如何产生的，并给出了相应的故障排除方法。

巴克变换器输入结构

下图显示了包含多个静电放电(ESD)保护装置的Buck转换器Buck内部的基本配置。

在上图中，电源输入VIN受包括内部电压调节器和MOSFET在内的大型ESD设备保护，因此可以承受高静电电压。软件终端内部通常没有ESD设备。因为大型MOSFET本身可以像ESD保护装置一样工作，静电电流可以通过内部本体二极管流向GND或VIN端，并且可以使用击穿特性进行保护。BOOT端有ESD设备，其他小信号终端各有一个小ESD设备，通常与输入串行电阻一起保护这些小信号终端不受静电放电的影响。

ESD和EOS的区别

超过ESD单元钳位电压的过电压出现在IC终端上时，IC是否会损坏取决于ESD元件击穿期间通过的能量量。

电子静态显示(ESD)和电子超负荷(EOS)都是电压超负荷相关概念，但它们之间的差异也很明显。

ESD提供高电压(500V)和相对短的持续时间(1s)

EOS以相对低的电压(100V)持续更长的时间(通常为1s)

在更长的时间内发生EOS事件时，影响ESD保护装置的能量更多，往往超过ESD保护装置的最大冲击能量耐受能力。这将导致ESD保护装置积累过多的热量，最终导致严重的毁灭性后果。通常，支撑ESD保护装置的芯片的其他部分也可能一起损坏。

电源热插入导致输入端过载

电源IC输入受到EOS冲击的常见原因是电源的热插入事件。此事件在通电的电源进入系统时发生。该系统的输入端通常包含低ESR的陶瓷输入电容，与电源引线的电感一起共振，可能会产生高压振动信号。下图显示了电源打开，两条引线将电源连接到应用程序系统的情况。其中开关S用于模拟热插入行为。

系统输入中出现的电压振动信号的范围与电源的内阻、引线的电阻和电感、开关S的电阻、输入容量C1、C2的电容、ESR的大小等多种因素有关。

例如，假设12V电源的输出容量大，电源引线长度为1.2米，电阻低，交换机S的阻抗也低。C1、C2是10F/25VX5R1206的MLCC。功率引线的总电感约为1.5 H，包括连接器在内的约10m的电阻。12V直流偏置下两个电容的实际总容量约为

9f，每个ESR约为5m 。

下图显示了这些输入电路中发生热插入事件时发生的振动过程的模拟结果。

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

其他造成电源 IC 输入端 EOS 的原因

除了热插入造成的冲击以外，还有其他一些状况可能造成电源 IC 输入端受到 EOS 的攻击：
a.USBB 输出端短路测试造成 USB 开关输入端损毁
下图显示的是一个典型的 USB 开关的应用电路图，有一个 1µF 的去耦电容放在靠近 IC 输入端的地方，电容前面有大约 10cm 的铜箔路径将它和 5V 主电源连接起来。

USB 端口都需要进行短路测试， 这个测试通过一个开关来模拟， IC 需要在侦测到短路以后快速将其 MOSFET 开关关断。从上图中的实例可以看到， MOSFET 开关关断的动作是有延时的，因而会有一个短时大电流流过 IC 之后关断才会发生。由于输入线有电感存在，此电感和输入端去耦电容 C2 会一起发生谐振，因而可在示波器上看见输入端出现了高压脉冲，这很可能超过 IC 的最高耐压能力并将其损毁。
为了解决这样的可靠性隐患，用于热插入风险防范的类似措施可以被纳入考虑范围，因此我们要在电路中加入类似电解电容的 RC 抑制电路。抑制电路的参数计算方法是类似的，我们可以利用开关关断过程的 dI/dt 计算电容的值。实际上，一个 47µF 的电解电容就可以将电压峰值控制在大约 6V 上，如下图 所示。

b. Buck 转换器的反向偏置问题
工作在强制 PWM 模式下的 Buck 转换器在经由输出端反向偏置时会表现出 Boost 转换器的行为。
假如转换器的输出端由高于预设输出电压的外部电源供电时， IC 内部的下桥 MOSFET 会从输出端吸入电流，再与上桥 MOSFET 一起形成一个Boost 转换器。如下图所示，该电路的输出端就由一个缓慢上升的 5V 电源供电，它的输入端电压将上升并最终将其 ESD 单元击穿。

像这种电源反向偏置的情况并不经常发生，但在存在电池的系统中就很容易出现。又假如在某些设计中使用了动态电压调节技术（通过反馈网络对输出电压进行调节），如果输出电容很大，又恰好遇到了输出电压的设定突然变低，Boost 的动作就会发生了。

总结

电源 IC 的损坏经常是由于输入电压过应力造成的，这在电源热插入导致出现过高电压尖峰或由线路电感和低 ESR 陶瓷电容形成谐振时就会发生。
当电源 IC 输入端的 ESD 单元遇到超过其能量承担水平的冲击能量时就会被损坏。造成 IC 损坏的 EOS 能量通常要比正常的人体模式（ HBM） ESD 能量高好几倍。当 ESD 单元被损坏的时候，作为其承载体的硅晶圆也会受到伤害。在大多数情况下，承载体的损坏会直接导致功率级的不正常运作，引起直通短路、功率级烧毁等问题。
具有折返特性的 ESD 单元在被触发以后可能保持在低于工作电压的电压上，这会在被触发之后立即导致大电流的出现。
由于热插入事件和电源线上的谐振效应都会将电压尖峰引入 IC 输入端，因而在电源设计过程中必须对这样的瞬态过程进行检查，确保在任何情况下都不会在 IC 输入端形成高电压。由于 ESD 单元的激活电压总是高于器件的绝对最大额定值，应用中能够出现的电压就不能超过 IC 的绝对最大额定值，以便确保 ESD 单元在工作过程中不会被激活。

结束。喜欢文章的朋友请点击右边关注我的头条号@硬件大不同，也欢迎点赞收藏转发！