典型半导体案例失效分析

典型半导体案例失效分析

Author:朱秋高

光宝电子(东莞)有限公司

E-mial: Collins.zhu@

摘要:

开关电源与地之间走线的电感对主开关Mosfet 驱动影响和失效案例

关键词:

PWM 驱动信号的布线要点:

在开关转换期间,某些走线 (PCB上的敷铜线路) 电流会瞬间停止,而另外一些走线电流同时瞬间导通(均在开关转换时间100ns 之内发生). 这些走线被认为是开关调整器PCB布线的”关键走线”. 每个开关转换瞬时,这些走线中都产生很高的Di/dt .如图1-1所示,整个线路混杂着细小但不低的电压尖峰.由经验可知,不难理解这是方程V=L*Di/dt 在走线中起作用,L是PCB走线的寄生电感.根据经验,每英寸走线的寄生电感约为20nH

图1-1 确定三种拓扑中的关键走线

噪声尖峰一旦产生,不仅传递到输入/输出(影响电源性能),而且渗透到IC控制单元,使控制功能失稳失常,甚至使控制的限流功能失效,导致灾难性后果.

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引言:

设计开关调整器PCB时,需知最终产品的好坏完全取决于它的布线,当然,有些开关IC可能会比其他开关IC对干扰更敏感.有时,从不同供应商购得的 “ 同类” 产品也可能有完全不同的噪声敏感度,.此外,某些开关IC结构本身也会比其他IC对噪声更敏感(如电流模式控制芯片比电压模式控制芯片”布线敏感度”高很多). 事实上,用户必须面对这样的现实: 半导体器件生产商不会提供其产品噪声敏感度的资料. 而作为设计人员,往往对布线不够重视,结果将似乎可稳定工作的IC弄得波形震荡,易受干扰,以致误动作,甚至导致灾难性的后果(开关烧掉). 另外,这些问题在调试后期往往很难纠正或补救,因此开始阶段就正确布线非常重要.

试验方法:

1. MOSFET 的驱动信号通常由IC内的驱动级产生,故MOSFET的源极应接至IC接地端.但MOSFET的实际表现并不由施加在栅极与参考间的电压所决定, 而是取决于栅极与源极间的电压,即完全取决于实际的V GS.

实例1,如果源极与地之间的走线有点长的话,在开关转换瞬间它上面会出现很大的电感反冲, 不严重的话只是降低开关转换的速度,严重时会使MOSFET错误地开通或关断,导致管子毁坏.

图1-2 是在关断瞬间可能发生的相当安全的情形.栅极控制MOSFET关断,但源极的PCB走线阻抗刚才也流过了电流,并产生小电压源(尖峰) 以阻止电流减小,电流持续流动直到能量消耗光.这使V GS波形发生改变从而使开关转换速度降低.然而,这种降低转换速度的方法并不值得推荐,根据我所知其结果不可预知,因为它本质上是基于寄生参数的.

图 1-2 关断时源极寄生电感的影响

2. 实例2, 图1-3 是一款使用在网络产品上的电源布线图,我们不难发现驱动信号到MOSFET的栅极之间的走线过长,(约为63mm) .且高频电感离驱动信号非常近,而导致在系统使用时,不时发生MOSFET 烧毁和PCB板大面积烧黑的现象,

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图1-3 PCB红线为驱动信号到栅极的走线图1-4红线部分为高频电感R016为栅极限流电阻此电源在正常工作时测得其V GS的波形如下图1-5

图1-5 Vg-s

对于高频谐波电流来说,几毫米长的PCB走线会成为名副其实的阻抗壁,从而导致走线一端的电压上升(相对于另一端), 造成电路某处出现意外的结果.当阻抗呈感性时,由基本公式V=LdI/dt 可知,走线上会产生严重的电压反冲,其中dI/dt 为电流跳变沿的斜率,L是这段走线的电感.所以在设计开关调节器或排除开

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关调节器故障时,PCB的设计显得如此重要.

结论:

1.对所有拓扑, 通常认为最重要的信号走线是反馈走线,若这条走线吸收了噪音(容性的或感性的),就会

使输出电压产生些许偏移------极端情况(较少见) 甚至造成不稳定或器件损坏.应使反馈走线尽量短,并远离噪声或磁场源(开关,二极管和电感)干扰.绝不能将反馈走线置于电感,开关或二极管下方(即使是PCB的另外一面的下方),也不能让它靠近或平行噪声走线超过2mm~~3mm,即使PCB的临近层也要这样考虑..有地处于中间层时,应在层间提供足够的屏蔽保护.

2.有时使反馈走线很短是不现实的,应认识到使走线尽量短并非第一位的要求.事实上,经常会有意识地

将它布得长一些,以便使这些走线避开潜在的噪声源.也可小心设计使部分反馈走线穿过地没有返回电流流过的部分,这将使得它被地包围着,免受干扰,如果这样还会有噪音干扰,就上像上面这个例子,也有一些补救措施,通过实验,在MOSFET管的栅极引脚上穿入一个小铁氧体磁珠可以减缓和吸收此类高频噪音,同时显著减少EMI.事实证明这个做是行之有效的,之后MOSFET没有因此噪音而损坏, 注意: 有时磁珠也与MOSFET串联,但是不能将这种磁珠放在源极上,如果放在源极上的话,那么交导通时源极引脚(带磁珠)会产生尖峰.因为栅极的参考点是源极而不是漏极,所以这会造成假导通,从而导致可靠性问题.因此,如果需要使用磁珠的话,磁珠的位置应该而且只能是在MOSFET的栅极或漏极.的确,这一额外的非耦合电感原理上会引起小尖峰,但实际上这很少会有问题..

致谢:

感谢Lite-on公司的资深电源主管SD.Deng, 也感谢Lite-on公司为我提供这样的平台和参考,测量仪器,当我写这个论文的时候我的同事:Norton.yin, Otto.Wang, Amir.ouYang, 设法为我提供不可估量的建议和数据.

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