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三端穩壓器反向击穿分析与防护举措-引脚识别及好坏判断方法-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-16 

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三端穩壓器 反向击穿

三端穩壓器

三端穩壓器是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时,在一定的电流范围内(或者说在一定功率损耗范围内),端电压几乎不变,表现出稳压特性,因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。

三端穩壓管,主要有两种,一种输出电压是固定的,称为固定输出三端穩壓管,另一种输出电压是可调的,称为可调输出三端穩壓管。


三端穩壓器的工作原理

因为固定三端穩壓器属于串联型稳压电路,因此它的原理等同于串联型稳压电路。

其中R1、Rp、R2組成的分壓器是取樣電路,從輸出端取出部分電壓UB2作爲取樣電壓加至三極管T2的基極。穩壓管Dz以其穩定電壓Uz作爲基准電壓,加在T2的發射極上。R3是穩壓管的限流電阻。三極管T2組成比較放大電路,它將取樣電壓UB2與基准電壓Uz加以比較和放大,再去控制三極管T1的基極電位。輸入電壓Ui加在三極管T1與負載RL相串聯的電路上,因此,改變T1集電極間的電壓降UCE1便可調節RL兩端的電壓Uo。也就是說,穩壓電路的輸出電壓Uo可以通過三極管T1加以調節,所以T1稱爲調整管。由于調整元件是晶體管管,而且在電路中與負載相串聯,故稱爲晶體管串聯型穩壓電路。電阻R4和T1的基極偏置電阻,也是T2的集電極負載電阻。


當電網電壓降低或負載電阻減小而使輸出端電壓有所下降時,其取樣電壓UB2相應減小,T2基極電位下降。但因T2發射極電位既穩壓管的穩定Uz保持不變,所以發射極電壓UBE2減小,導致T2集電極電流減小而集電極電位Uc2升高。由于放大管T2的集電極與調整管T1的基極接在一起,故T1基極電位升高,導致集電極電流增大而管壓降UCE1減小。因爲T1與RL串聯,所以,輸出電壓Uo基本不變。


同理,當電網電壓或負載發生變化引起輸出電壓Uo增大時,通過取樣、比較放大、調整等過程,將使調整調整管的管壓降UCE1增加,結果抑制了輸出端電壓的增大,輸出電壓仍基本保持不變。


調節電位器Rp,可對輸出電壓進行微調。調整管T1與負載電阻RL組成的是射極輸出電路,所以具有穩定輸出電壓的特點。


在串聯型穩壓電源電路的工作過程中,要求調整管始終處在放大狀態。通過調整管的電流等于負載電流,因此必須選用適當的大功率管作調整管,並按規定安裝散熱裝置。爲了防止短路或長期過載燒壞調整管,在直流穩壓器中一般還設有短路保護和過載保護等電路。


三端穩壓器反向击穿

三端穩壓器反向击穿,集成稳压器‘应用测试过程’中,任意两个管脚之间严格禁止出现瞬态的‘反偏’状态(包括mS级的瞬态反偏),否则电路有可能在瞬间被反偏击穿烧毁。


电路有可能出现反偏击穿的外部状态:GND→IN、OUT→IN、GND→OUT、ADJ→OUT,应用中要求:GND →IN≤|-1V|,其他管脚间为≤|-5V|。

【以上幾種現象損壞的穩壓器、可以通過電路解剖觀察芯片有不同的燒毀痕迹。】


在測試或裝配過程中‘人爲疏忽’造成‘反接’狀態,是“沒有什麽措施可以保護”的。如:發生管教倒置,輸入電壓極性接反、樣品規格與使用規格不符等情況,必須操作中細心的加以防止。


在特定情況下有應用電路産生的‘瞬態’的反偏狀態,可以參考推薦保護措施增加相應保護元件還是可以避免的,當缺少相應的保護元件時‘偶發’條件下穩壓器電路的隨機損壞的情況將不能避免這種情況引起的電路失效不屬于電路産品質量問題。


(一)OUT→IN端反偏

1、産生來源:


①負載時對電池類的充電應用,斷電時電池並未脫離電路輸出端。


②電路輸入存在有大的負向脈沖,如果電路輸入同時存在較大的感性負荷的反電動勢。


③電路輸出端接入大的濾波電解電容。(發生較多的反接擊穿情況)


保護措施:在電路I-O端之間增加保護二極管Di,將I-O反偏電壓鉗位在1V以內。

三端穩壓器,反向击穿


2、機理分析:

只要不是穩壓電路輸出應用環境造成的工作條件,應用中在電路輸出端不應接入大的濾波電解電容。接入這個電解有可能造成一個電路的OUT→IN端之間的‘反接’機會。


理論上,只要電源的輸入濾波電解足夠大,可以保證即使在穩壓電路輸入電壓處于紋波‘谷點’時也可以滿足電路穩壓必須的最小輸入壓差的特定要求。電路自身具有很強的紋波抑制能力,根本沒有必要在輸出端接濾波電解電容。

接輸出端的濾波電容對于電源濾波所起的作用很小,這個電容有時反而會造成意外損壞穩壓器電路的特定條件。


不推薦在輸出端接濾波電容式由于電容的‘儲能作用’,電容充電後可等效爲一電池,在特定的情況下,如輸入電壓在瞬間的短路,感性元器件産生的負脈沖或關機後輸入電壓下降更快時,有可能造成電路VO>VI的電位反偏狀態。在輸出端接濾波電容>20μF以後,電路調整管的反偏-5V左右。輸出電容的放電過程可能在mS量級的瞬態反向擊穿或損傷電路調整管,輸出電容容量越大,反偏電壓越高,對調整管損傷越嚴重直至燒毀。


3、附帶的建議:

50Hz市電整流濾波應用時,CD值爲每1A負載電流取2000μf範圍,否則輸入紋波可能較大。在穩壓電路的輸入電壓已經很低時,就可能造成(Vi-Vo)低于電路工作時允許的最小壓差(Vi-Vo)min,出現電路瞬間脫離穩壓控制的狀態。


電路脫離穩壓狀態時輸出不等比跟蹤輸入變化。在(Vi-Vo)≥(Vi-Vo)min時,輸出電壓穩定在途中的直線Vo段,在(Vi-Vo)<(Vi-Vo)min時,由于這時電路脫離穩壓狀態,輸入的紋波電壓幾乎完全鏡象到電路輸出,這時穩壓電路的紋波抑制比功能此時不會起作用,對外表現電路穩壓特性很差或電路不能穩壓。如下圖中Vo爲穩壓時的值、Vo'爲用直流電壓表的測量的平均值、Vd爲鏡像到輸出的輸入紋波谷點電壓。

三端穩壓器,反向击穿


(二)GND→IN端反偏

1、産生來源:

在汽車類電子領域的電路應用中發生較多,如部分車型的汽車馬達、點火系統等感性設備産生的約50-200mS脈寬範圍的瞬態微分峰值電壓可達+70V、-80V範圍,5-20mS脈寬範圍的可能達到+110V、-250V範圍。其中的負向脈沖造成了這種反偏。(正想脈沖可能造成電路輸出出現‘瞬態’過壓擊穿燒毀)


2、保護措施:將反偏電壓鉗位在1V以內,對于負向脈沖增加Df進行抑制。

三端穩壓器,反向击穿


(三)GND→OUT端反偏

1、産生來源:


①來自正負輸出配對應用,當正負輸出的公共負載發生瞬態的短路時。


②電路輸出存在有大的感性負荷,較大的反向電動勢産生的負向脈沖。


③爲獲得高于穩壓器標稱值的電路輸出,輸出電壓被Dz擡起一個固定電壓值(如下圖),沒有保護二極管D的情況下,輸出存在瞬態的短路情況。

三端穩壓器,反向击穿


由于設計算短穩壓器電路正常工作時,電路的公共端的電位應是最低的(絕對值),無論任何原因造成電路GND端電位高于其他兩端電位的情況,即屬于電路的‘反偏’狀態,反偏電位的絕對值達到5V以上時,mS量級脈寬的瞬態‘反偏’就會造成內部電路的相關區域受損或燒毀。這種擊穿是隨機發生的現象,不同批次産品或同批次産品發生概率可能不同。


2、保護措施:應將反偏電壓鉗位在1V以內。增加途中二極管D。


(四)Adj→OUT端反偏

三端穩壓器,反向击穿

可调三端穩壓器典型应用电路


1、産生來源:

從可調系列電路的典型應用電路圖可以看出,應用中調整端Adj的電位應永遠低于輸出端OUT的電位,參考OUT端的電位而言Vadj=VREF=-1.25V。


在輸出電壓取樣回路中,VR2=Vadj=VO-VREF=VO-1.25V≈VO,可見在可調系列電路讀書處取樣回路中,電壓幾乎是全部的降在可調電阻R2上。因此、VC3=VR2≈VO。


産生VO-ADJ端‘反接’的原因:應用中在可調系列電路時,在輸出下取樣電阻的兩端並聯一支10μ~47μ的輸出紋波抑制電解C3,這個C3確實可起到減小輸出紋波電壓的作用(注意:紋波參數測試時,對C3的容量也是有具體要求的)。但因有VC3=VR2≈VO的存在,接入這個電解也創造了一個ADJ→VO端之間的電路‘反接’機會。

三端穩壓器,反向击穿

可調三端內部電路簡圖


從內部電路的局部電路圖中可以看出,在VO-Adj端的反偏足夠大時,Q17的EB結就可能因爲電壓反偏被擊穿,但足可以燒毀與電阻R14相關的電阻體、10~20μm寬的鋁引線層、引線孔等局部電路部分。當外部表征爲器件的輸出電壓不能進行調整時,這時電路已經失效了。


造成這類擊穿由于三極管的BVEBO是很低的(不妨用分立器件的三極管實測一下)。從圖中可以看出、接于Adj端的C3是通過調整電流Iadj進行充電的,但C3被充電後自身是沒有‘低阻的’放電通路的。如果應用中設點VO較高,由于VC3≈VO,必然有C3兩端的電壓VC3也很高。如這時出現VO≈0時的瞬間‘短路’狀態,必然造成Adj→VO端的反偏擊穿,C3儲存的能量通過調整端內部電路進行逆向放電(放電通路用虛線表示)。


在C3>10μF、VC3>5V以後,僅需mS量級的瞬態,就有可能燒傷穩壓器調整端內部的局部電路,由于燒毀所需能量很小,因此顯微鏡下觀察這種造成電路失效的燒痕最小,一般僅在20μm×20μm範圍以內。


2、保護措施:增加典型應用電路圖中的反向鉗位二極管DO。


防止測試中電路樣品異常損壞:

針對正壓可調系列電路,測試儀器使用前應明確必須有反向鉗位二極管DO存在。


其理由很簡單:對于正可調系列金屬封裝的電路,金屬殼體的裝配孔爲第三引出端、並被定義爲電路的輸出端。對樣品進行測試時、先接觸插座的肯定是插入孔中的1腳、2腳,即輸入端和調整端,一旦1腳、2腳插入後、電源立刻通過調整電流Iadj對接在C3充電。如設定的VC3較高、最後接觸插座的輸出端可能存在短路的條件時(可參考下方C-V圖的△t瞬間),就有可能在測試中燒傷穩壓器調整內部的局部電路。聲明:由這種情況造成測試後電路樣品失效不是個案。


三端穩壓器的引脚识别与好坏判断方法

(1)引腳識別

三端穩壓器的封装有金属封装和塑料封装两种,外形如同一只大功率晶体管,引脚的排列如图9-30所示。不同系列的稳压器,其各脚的作用不同。其中最常用的W78××系列稳压器,为输入端(I),为输出端(O),为公共端(COM);W79××系列则是为公共端,为输出端,为输入端;常用的可调三端穩壓器LM317T,外形如W78××,其为可调端,为输入端,为输出端。端输出电压值由端电压变化调节。

三端穩壓器,反向击穿


(2)性能鑒別

对78××和79××系列三端穩壓器,鉴别其好坏可使用万用表 R × 100挡,分别检测其输入端与输出端的正、反向电阻值。正常时,阻值相差在数千欧以上;若阻值相差很小或近似为零,说明其已损坏。表9-14、表9-15为最常用的78××和79××21种三端穩壓器的实测各引脚非在路电阻值,供检测时参考。


表下表 78××三端穩壓器各引脚非在路电阻值(kΩ )

三端穩壓器,反向击穿


下表 79××三端穩壓器各引脚非在路电阻值(kΩ )

三端穩壓器,反向击穿



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