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提高電源適配器浪涌失效機(jī)理和能力

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提高電源適配器浪涌失效機(jī)理和能力

首先介紹一下什么是浪涌。浪涌一般是在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)或者雷電瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的。

浪涌測(cè)試的官方叫法是“浪涌（沖擊）抗擾度實(shí)驗(yàn)”；
測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參考IEC61000-4-5，或者GB/T 17626.5；該標(biāo)準(zhǔn)里面有詳細(xì)闡述了有關(guān)浪涌的知識(shí)。

我們?cè)跍y(cè)電源適配器浪涌時(shí)，由浪涌發(fā)生器輸出的波形是一種組合波：1.2/50us電壓波（開(kāi)路電壓）和8/20us電流波（短路電流），發(fā)生器的等效阻抗是2歐姆，用開(kāi)路電壓峰值除以短路電流峰值就是該等效阻抗。具體波形參考下面兩圖：
1.2/50us開(kāi)路電壓波，1.2us是波形的上升時(shí)間，具體指波形從10%上升到90%所用的時(shí)間，50us是半峰值時(shí)間，具體指波形上升至50%到波形下降至50%的時(shí)間，用示波器測(cè)量設(shè)備的開(kāi)路波形就是這樣的。
  
8/20us短路電流波，8us是波形的上升時(shí)間，20us是半峰值時(shí)間，具體定義同上，將設(shè)備的輸出端短路，測(cè)試短路電流就是這樣的波形。
  
這幾個(gè)時(shí)間及開(kāi)路電壓峰值、短路電流的誤差見(jiàn)下表：

  

由表可見(jiàn)，該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差還是比較大的，打浪涌曾經(jīng)有這樣的經(jīng)歷：一個(gè)EUT在自己的驗(yàn)室打浪涌過(guò)了，但在別人家實(shí)驗(yàn)室，同等級(jí)的浪涌就是過(guò)不了，浪涌設(shè)備還是同一個(gè)廠家的，很奇怪，
最后對(duì)比兩個(gè)設(shè)備的波形發(fā)現(xiàn)，一個(gè)偏上限，一個(gè)偏下限，都沒(méi)有超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。其實(shí)標(biāo)準(zhǔn)范圍大了，方便了造設(shè)備的。

今天剛給一個(gè)LED電源適配器打完4kV浪涌，附上4kV浪涌時(shí)，MOS管的波形，供參觀，下次再見(jiàn)：

CH1-深藍(lán)色-VGS波形，
CH2-淺藍(lán)色-VDS波形，最大816V，
CH3-紫色-IDS波形，最大10.4A，
CH4-綠色-L線電流波形，最大800A。


LED八字尾電源適配器-單級(jí)PFC結(jié)構(gòu)，由于沒(méi)有大電解，在打浪涌時(shí)，浪涌能量很容易傳遞到功率MOS上。浪涌對(duì)MOS管的沖擊失效一般有兩種失效模式：
1-浪涌引起MOSFET 電流應(yīng)力超過(guò)額定值，導(dǎo)致失效；
根據(jù)伏秒平衡定律，反激開(kāi)關(guān)電源適配器變壓器電感：
公式1
其中Von=Vin，D為占空比，r=0.3-0.5，fsw指開(kāi)關(guān)頻率，IL是電感電流。Von一般最大277Vac或者300Vac，但是在浪涌脈沖測(cè)試時(shí)，由于母線電壓突然升高，超過(guò)設(shè)計(jì)輸入電壓最高值1.2倍或者更多，變壓器電感會(huì)迅速出現(xiàn)飽和。下圖1中紫色電流在開(kāi)關(guān)周期后階段出現(xiàn)飽和跡象，MOSFET電流應(yīng)力迅速上升達(dá)到7.32A。在正常開(kāi)關(guān)周期，MOSFET IDS=3A。器件在高電流、高電壓應(yīng)力發(fā)生雪崩，MOSFET失效，表現(xiàn)為短路，引起開(kāi)關(guān)電源適配器輸入端保險(xiǎn)絲，整流橋和驅(qū)動(dòng)IC失效。
  
圖1浪涌測(cè)試 紫色MOSFET IDS 黃色是VDS                        圖2浪涌測(cè)試 紫色VDS電壓 ,藍(lán)色是IDS
 SJ-MOSFET 0.3Ω/700V                                                  10A80E VD-MOSFET EAS=454mJ
2-浪涌引起MOSFET 電壓應(yīng)力超過(guò)極限值，導(dǎo)致失效
開(kāi)關(guān)電源適配器在浪涌測(cè)試時(shí)，由于前端浪涌吸收器件(壓敏電阻等)規(guī)格參數(shù)偏小導(dǎo)致母線電壓迅速爬升，進(jìn)而導(dǎo)致MOSFET電壓應(yīng)力迅速超過(guò)額定電壓1.1-1.2倍，MOSFET器件會(huì)迅速進(jìn)入雪崩，IDS電流瞬間變大，導(dǎo)致器件功耗急劇增加，巨大的功耗轉(zhuǎn)換為溫升超過(guò)芯片極限溫度而引起失效。如圖2所示，60W 單級(jí)PFC LED電源適配器， 1.5KV 差模浪涌測(cè)試失效波形。結(jié)合圖3更準(zhǔn)確說(shuō)明此類(lèi)問(wèn)題，圖3所示黃色曲線電壓低于680V時(shí)，MOSFET處在關(guān)斷狀態(tài)，IDS幾乎等于0；一旦超過(guò)680V，MOS管反向擊穿，電壓被嵌位，IDS電壓迅速爬升，最終器件由于熱量失控而導(dǎo)致失效。

    圖316N65A VD-MOSFET EAS=1000mJ          圖416N65A 規(guī)格書(shū)極限參數(shù) EAS=1000mJ

黃色線是MOSFETVDS電壓，藍(lán)色是IDS
浪涌失效瞬間，MOSFET短路，隨后繼續(xù)流過(guò)大電流，燒毀其他器件，尤其是采樣電阻最易燒壞，再燒斷保險(xiǎn)司或者其他線路，使電源適配器與輸入斷開(kāi)。
一般都是芯片被嚴(yán)重?zé)齻?，?jiàn)下圖。
     
              圖5 浪涌失效芯片外觀              圖6 浪涌失效芯片外觀

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| 發(fā)布時(shí)間：2019.03.19    來(lái)源：電源適配器廠家
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