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三端稳压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

信息来源:本站 日期:2019-01-16 

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三端稳压器 反向击穿

三端稳压器

三端稳压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。

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


三端稳压器的工作原理

因为固定三端稳压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组成的分压器是取样电路,从输出端取出部分电压UB2作为取样电压加至三极管T2的基极。稳压管Dz以其稳定电压Uz作为基准电压,加在T2的发射极上。R3是稳压管的限流电阻。三极管T2组成比较放大电路,它将取样电压UB2与基准电压Uz加以比较和放大,再去控制三极管T1的基极电位。输入电压Ui加在三极管T1与负载RL相串联的电路上,因此,改变T1集电极间的电压降UCE1便可调节RL两端的电压Uo。也就是说,稳压电路的输出电压Uo可以通过三极管T1加以调节,所以T1称为调整管。由于调整元件是晶体管管,而且在电路中与负载相串联,故称为晶体管串联型稳压电路。电阻R4和T1的基极偏置电阻,也是T2的集电极负载电阻。


当电网电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所下降时,其取样电压UB2相应减小,T2基极电位下降。但因T2发射极电位既稳压管的稳定Uz保持不变,所以发射极电压UBE2减小,导致T2集电极电流减小而集电极电位Uc2升高。由于放大管T2的集电极与调整管T1的基极接在一起,故T1基极电位升高,导致集电极电流增大而管压降UCE1减小。因为T1与RL串联,所以,输出电压Uo基本不变。


同理,当电网电压或负载发生变化引起输出电压Uo增大时,通过取样、比较放大、调整等过程,将使调整调整管的管压降UCE1增加,结果抑制了输出端电压的增大,输出电压仍基本保持不变。


调节电位器Rp,可对输出电压进行微调。调整管T1与负载电阻RL组成的是射极输出电路,所以具有稳定输出电压的特点。


在串联型稳压电源电路的工作过程中,要求调整管始终处在放大状态。通过调整管的电流等于负载电流,因此必须选用适当的大功率管作调整管,并按规定安装散热装置。为了防止短路或长期过载烧坏调整管,在直流稳压器中一般还设有短路保护和过载保护等电路。


三端稳压器反向击穿

三端稳压器反向击穿,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|。

【以上几种现象损坏的稳压器、可以通过电路解剖观察芯片有不同的烧毁痕迹。】


在测试或装配过程中‘人为疏忽’造成‘反接’状态,是“没有什么措施可以保护”的。如:发生管教倒置,输入电压极性接反、样品规格与使用规格不符等情况,必须操作中细心的加以防止。


在特定情况下有应用电路产生的‘瞬态’的反偏状态,可以参考推荐保护措施增加相应保护元件还是可以避免的,当缺少相应的保护元件时‘偶发’条件下稳压器电路的随机损坏的情况将不能避免这种情况引起的电路失效不属于电路产品质量问题。


(一)OUT→IN端反偏

1、产生来源:


①负载时对电池类的充电应用,断电时电池并未脱离电路输出端。


②电路输入存在有大的负向脉冲,如果电路输入同时存在较大的感性负荷的反电动势。


③电路输出端接入大的滤波电解电容。(发生较多的反接击穿情况)


保护措施:在电路I-O端之间增加保护二极管Di,将I-O反偏电压钳位在1V以内。

三端稳压器,反向击穿


2、机理分析:

只要不是稳压电路输出应用环境造成的工作条件,应用中在电路输出端不应接入大的滤波电解电容。接入这个电解有可能造成一个电路的OUT→IN端之间的‘反接’机会。


理论上,只要电源的输入滤波电解足够大,可以保证即使在稳压电路输入电压处于纹波‘谷点’时也可以满足电路稳压必须的最小输入压差的特定要求。电路自身具有很强的纹波抑制能力,根本没有必要在输出端接滤波电解电容。

接输出端的滤波电容对于电源滤波所起的作用很小,这个电容有时反而会造成意外损坏稳压器电路的特定条件。


不推荐在输出端接滤波电容式由于电容的‘储能作用’,电容充电后可等效为一电池,在特定的情况下,如输入电压在瞬间的短路,感性元器件产生的负脉冲或关机后输入电压下降更快时,有可能造成电路VO>VI的电位反偏状态。在输出端接滤波电容>20μF以后,电路调整管的反偏-5V左右。输出电容的放电过程可能在mS量级的瞬态反向击穿或损伤电路调整管,输出电容容量越大,反偏电压越高,对调整管损伤越严重直至烧毁。


3、附带的建议:

50Hz市电整流滤波应用时,CD值为每1A负载电流取2000μf范围,否则输入纹波可能较大。在稳压电路的输入电压已经很低时,就可能造成(Vi-Vo)低于电路工作时允许的最小压差(Vi-Vo)min,出现电路瞬间脱离稳压控制的状态。


电路脱离稳压状态时输出不等比跟踪输入变化。在(Vi-Vo)≥(Vi-Vo)min时,输出电压稳定在途中的直线Vo段,在(Vi-Vo)<(Vi-Vo)min时,由于这时电路脱离稳压状态,输入的纹波电压几乎完全镜象到电路输出,这时稳压电路的纹波抑制比功能此时不会起作用,对外表现电路稳压特性很差或电路不能稳压。如下图中Vo为稳压时的值、Vo'为用直流电压表的测量的平均值、Vd为镜像到输出的输入纹波谷点电压。

三端稳压器,反向击穿


(二)GND→IN端反偏

1、产生来源:

在汽车类电子领域的电路应用中发生较多,如部分车型的汽车马达、点火系统等感性设备产生的约50-200mS脉宽范围的瞬态微分峰值电压可达+70V、-80V范围,5-20mS脉宽范围的可能达到+110V、-250V范围。其中的负向脉冲造成了这种反偏。(正想脉冲可能造成电路输出出现‘瞬态’过压击穿烧毁)


2、保护措施:将反偏电压钳位在1V以内,对于负向脉冲增加Df进行抑制。

三端稳压器,反向击穿


(三)GND→OUT端反偏

1、产生来源:


①来自正负输出配对应用,当正负输出的公共负载发生瞬态的短路时。


②电路输出存在有大的感性负荷,较大的反向电动势产生的负向脉冲。


③为获得高于稳压器标称值的电路输出,输出电压被Dz抬起一个固定电压值(如下图),没有保护二极管D的情况下,输出存在瞬态的短路情况。

三端稳压器,反向击穿


由于设计算短稳压器电路正常工作时,电路的公共端的电位应是最低的(绝对值),无论任何原因造成电路GND端电位高于其他两端电位的情况,即属于电路的‘反偏’状态,反偏电位的绝对值达到5V以上时,mS量级脉宽的瞬态‘反偏’就会造成内部电路的相关区域受损或烧毁。这种击穿是随机发生的现象,不同批次产品或同批次产品发生概率可能不同。


2、保护措施:应将反偏电压钳位在1V以内。增加途中二极管D。


(四)Adj→OUT端反偏

三端稳压器,反向击穿

可调三端稳压器典型应用电路


1、产生来源:

从可调系列电路的典型应用电路图可以看出,应用中调整端Adj的电位应永远低于输出端OUT的电位,参考OUT端的电位而言Vadj=VREF=-1.25V。


在输出电压取样回路中,VR2=Vadj=VO-VREF=VO-1.25V≈VO,可见在可调系列电路读书处取样回路中,电压几乎是全部的降在可调电阻R2上。因此、VC3=VR2≈VO。


产生VO-ADJ端‘反接’的原因:应用中在可调系列电路时,在输出下取样电阻的两端并联一支10μ~47μ的输出纹波抑制电解C3,这个C3确实可起到减小输出纹波电压的作用(注意:纹波参数测试时,对C3的容量也是有具体要求的)。但因有VC3=VR2≈VO的存在,接入这个电解也创造了一个ADJ→VO端之间的电路‘反接’机会。

三端稳压器,反向击穿

可调三端内部电路简图


从内部电路的局部电路图中可以看出,在VO-Adj端的反偏足够大时,Q17的EB结就可能因为电压反偏被击穿,但足可以烧毁与电阻R14相关的电阻体、10~20μm宽的铝引线层、引线孔等局部电路部分。当外部表征为器件的输出电压不能进行调整时,这时电路已经失效了。


造成这类击穿由于三极管的BVEBO是很低的(不妨用分立器件的三极管实测一下)。从图中可以看出、接于Adj端的C3是通过调整电流Iadj进行充电的,但C3被充电后自身是没有‘低阻的’放电通路的。如果应用中设点VO较高,由于VC3≈VO,必然有C3两端的电压VC3也很高。如这时出现VO≈0时的瞬间‘短路’状态,必然造成Adj→VO端的反偏击穿,C3储存的能量通过调整端内部电路进行逆向放电(放电通路用虚线表示)。


在C3>10μF、VC3>5V以后,仅需mS量级的瞬态,就有可能烧伤稳压器调整端内部的局部电路,由于烧毁所需能量很小,因此显微镜下观察这种造成电路失效的烧痕最小,一般仅在20μm×20μm范围以内。


2、保护措施:增加典型应用电路图中的反向钳位二极管DO。


防止测试中电路样品异常损坏:

针对正压可调系列电路,测试仪器使用前应明确必须有反向钳位二极管DO存在。


其理由很简单:对于正可调系列金属封装的电路,金属壳体的装配孔为第三引出端、并被定义为电路的输出端。对样品进行测试时、先接触插座的肯定是插入孔中的1脚、2脚,即输入端和调整端,一旦1脚、2脚插入后、电源立刻通过调整电流Iadj对接在C3充电。如设定的VC3较高、最后接触插座的输出端可能存在短路的条件时(可参考下方C-V图的△t瞬间),就有可能在测试中烧伤稳压器调整内部的局部电路。声明:由这种情况造成测试后电路样品失效不是个案。


三端稳压器的引脚识别与好坏判断方法

(1)引脚识别

三端稳压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;常用的可调三端稳压器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。

三端稳压器,反向击穿


(2)性能鉴别

对78××和79××系列三端稳压器,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种三端稳压器的实测各引脚非在路电阻值,供检测时参考。


表下表 78××三端稳压器各引脚非在路电阻值(kΩ )

三端稳压器,反向击穿


下表 79××三端稳压器各引脚非在路电阻值(kΩ )

三端稳压器,反向击穿



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