關(guān)于空調(diào)控制器三端穩(wěn)壓管的失效原理的分析與研究

張成成

摘要：三端穩(wěn)壓管是空調(diào)控制器常用元器件，主要作用是直流電壓的轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定。三端穩(wěn)壓管內(nèi)部晶元為半導(dǎo)體材料，實(shí)際生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)靜電類的損傷，并且會影響整個空調(diào)控制器正常工作。因此，對于三端穩(wěn)壓管的失效原理的分析研究尤為重要，它可以幫助我們從根源上解決失效問題。本文針對失效的三端穩(wěn)壓管做詳細(xì)分析，根據(jù)失效原理，總結(jié)三個優(yōu)化方向：1、提升穩(wěn)壓管內(nèi)部受損器件的抗靜電能力；2、穩(wěn)壓管內(nèi)部增加一個電阻，用于防止靜電損傷的；3、在穩(wěn)壓管輸入端增加一個電容，用于消除靜電。

關(guān)鍵詞：三端穩(wěn)壓管；ESD；啟動電路

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.012

前言

目前，各企業(yè)空調(diào)的為實(shí)現(xiàn)智能控制均需要使用電控器，而電控器中常用的弱電穩(wěn)壓器件是三端穩(wěn)壓管，常用的有7815、7812、7805系列。由于廠家制造工藝不一致，同系列穩(wěn)壓管設(shè)計方案不一致，穩(wěn)壓管使用環(huán)境、工作環(huán)境等因素，導(dǎo)致穩(wěn)壓管的使用壽命不一致，使用過程中出現(xiàn)大量的三端穩(wěn)壓管失效案例，而三端穩(wěn)壓管的失效直接導(dǎo)致空調(diào)無法運(yùn)轉(zhuǎn)。因此對于三端穩(wěn)壓管使用過程中的失效原理做出分析，找出根本原因并優(yōu)化，可以減少生產(chǎn)過程及售后使用過程中穩(wěn)壓管下線，同時有助于生產(chǎn)制造成本及售后維修成本。本文是針對售后失效的三端穩(wěn)壓管，通過檢驗(yàn)穩(wěn)壓管的使用環(huán)境、器件自身抗靜電能力，分析穩(wěn)壓管的失效模式，模擬同類失效故障件，統(tǒng)計分析失效數(shù)據(jù)的方式來給出合理的優(yōu)化方案。

1 三端穩(wěn)壓管的工作原理及部分名詞概念解釋

1.1 三端穩(wěn)壓管的工作原理

目前各廠家設(shè)計的三端穩(wěn)壓管基本工作原理大同小異，只不過根據(jù)三端穩(wěn)壓管在售后出現(xiàn)的異常做出部分電路的優(yōu)化，通過更改部分元器件參數(shù)來達(dá)到不同的穩(wěn)壓效果，抵抗各種使用環(huán)境的考驗(yàn)。三端穩(wěn)壓管的工作原理如圖1所示，各廠家根據(jù)實(shí)際需要修改電路參數(shù)、元器件。

根據(jù)原理圖各模塊功能分為啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、采樣比較放大和調(diào)整電路、保護(hù)電路。具體結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。下面針對穩(wěn)壓管內(nèi)部各結(jié)構(gòu)區(qū)域作具體分析。

1.1.1 啟動電路

啟動電路由T1、T2、Dz1組成。當(dāng)輸入電壓Vi高于穩(wěn)壓管Dz1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升導(dǎo)通，同時恒流源T4、T5也工作。T4的集電極電流通過Dz2以建立起正常工作電壓，當(dāng)Dz2和Dz1達(dá)到相等的穩(wěn)壓值，整個電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)，電路啟動完畢。同時T2因基極和發(fā)射極電壓差為0而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯(lián)系，從而保證T2左邊出現(xiàn)的紋波與噪音不影響基準(zhǔn)電壓源。

1.12 基準(zhǔn)電壓電路

基準(zhǔn)電壓電路由T4. Dz2. T3. R1.R2、R3及D1、D2組成，電路設(shè)計和工藝上使用具有正溫度系數(shù)的R1、R2、R3、Dz2與具有負(fù)溫度系數(shù)的T3、D1、D2發(fā)射結(jié)互相補(bǔ)償，可以使基準(zhǔn)電壓基本不隨溫度變化。同時，對穩(wěn)壓管Dz2采用恒流源供電，從而保證基準(zhǔn)電壓不受輸入電壓波動的影響。

1.1.3 采樣比較放大電路和調(diào)整電路

采樣比較放大電路和調(diào)整電路由T4T11組成，其中T10、T11組成復(fù)合調(diào)整管；R12、R13組成取樣電路；T7、T8和T6組成帶恒流源的差動式放大電路；T4、T5組成的恒流源作為它的有源負(fù)載。T9、R9作為緩沖電路，為T8起分流作用。

1.1.4 保護(hù)電路

保護(hù)電路分為減流式保護(hù)電路和過熱保護(hù)電路，防止因輸入電壓過高、輸入電壓變動、穩(wěn)壓管工作溫度過高等原因?qū)е路€(wěn)壓管損壞。

（1）減流式保護(hù)電路

減流式保護(hù)電路T12、R11、R15、R14和Dz3、Dz4組成：R11為檢流電阻。保護(hù)的目的主要是使調(diào)整管（主要是T11）能在安全區(qū)以內(nèi)工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值。

由于Dz3、Dz4、R14、R15、T12所構(gòu)成的支路使T10、T11調(diào)整管電路的功耗限制在額定范圍內(nèi)，降低輸入電壓較高時流經(jīng)R11的電流，故稱為減流式保護(hù)。（2）過熱保護(hù)電路 過熱保護(hù)電路Dz2、T3、T14和T13組成，在常溫時R3上的壓降僅0.4V左右，T14、T13截止，對電路工作無影響。當(dāng)某種原因使芯片溫度上升到極限值，R3上壓降隨Dz2的工作電壓升高而升高，T14、T13導(dǎo)通，調(diào)整管T10的基極電流被T13分流，流經(jīng)R11電流下降從而達(dá)到過熱保護(hù)的作用。

2 導(dǎo)致三端穩(wěn)壓管失效的環(huán)境因素分析

三端穩(wěn)壓管在空調(diào)企業(yè)的使用過程中，通常會經(jīng)歷溫度、瞬間通斷電、電氣安全測試、靜電的考驗(yàn)，現(xiàn)針對各種類型的考驗(yàn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)，分析失效原因。

2.1 驗(yàn)證溫度過高對穩(wěn)門；管的影響

穩(wěn)壓管在空調(diào)生產(chǎn)過程中，涉及波峰焊接、人工焊接等高溫考驗(yàn)，其中人工焊接溫度最高可達(dá)400℃。設(shè)計實(shí)驗(yàn)：取穩(wěn)壓管合格品三個，使用烙鐵持續(xù)接觸穩(wěn)壓管焊接端，設(shè)置420℃，分別持續(xù)高溫焊接1分鐘、2分鐘、3分鐘，冷卻后再測試穩(wěn)壓管輸出電壓值是否符合要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，以7805系列穩(wěn)壓管為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明高溫焊接對于穩(wěn)壓管未造成明顯損壞。

2.2 驗(yàn)證瞬間通斷電對穩(wěn)壓管的影響

穩(wěn)壓管在空調(diào)生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)歷通斷電測試環(huán)節(jié)。設(shè)計實(shí)驗(yàn)：取一塊裝有穩(wěn)壓管的電控器，在穩(wěn)壓管的輸入端、信號地端連接測試點(diǎn)，模擬插拔電源線過程，使用示波器測量穩(wěn)壓管輸入端電壓是否異常。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3，測量7812穩(wěn)壓管輸入端最高電壓17V，7805穩(wěn)壓管輸入端穩(wěn)定在12V，通斷電時穩(wěn)壓管輸入端均未出現(xiàn)過電壓情況。

電源線插拔過程中肯定存在低頻脈沖電壓，但是穩(wěn)壓管輸入端未出現(xiàn)脈沖電壓分析原因?yàn)榭照{(diào)電控器的穩(wěn)壓管前端匹配了uF級別電容，可濾除低頻脈沖電壓。如圖4，為常見穩(wěn)壓管的應(yīng)用電路，匹配的C133電解電容可消除低頻脈沖電壓。endprint

2.3 驗(yàn)證電氣安全測試對穩(wěn)壓管的影響

穩(wěn)壓管在空調(diào)生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)過電氣安全測試，根據(jù)交/直流耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等四項基本指標(biāo)的測試原理對于可判斷穩(wěn)壓管無影響（測試原理在此不做詳述）。設(shè)計實(shí)驗(yàn)：取一塊裝有穩(wěn)壓管的電控器，在穩(wěn)壓管的輸入端、信號地端連接測試點(diǎn)，對電控器進(jìn)行電氣安全測試，使用示波器測量穩(wěn)壓管輸入端電壓是否異常。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5，7812穩(wěn)壓管輸入端最高出現(xiàn)6V脈沖電壓，7805穩(wěn)壓管輸入端最高出現(xiàn)3V脈沖電壓，不會對穩(wěn)壓管造成損壞。

2.4 驗(yàn)證靜電對穩(wěn)壓管的影響

空調(diào)生產(chǎn)過程中較常見的靜電釋放模式為人體模式（HBM）和機(jī)器模式（MM）。設(shè)計實(shí)驗(yàn)：取某廠家合格三端穩(wěn)壓管若干，分別使用人體模式（HBM）和機(jī)器模式（MM）對穩(wěn)壓管擊穿，每個穩(wěn)壓管電擊5次，記錄擊穿穩(wěn)壓管的臨界電壓。如圖6、圖7。先對電容充電，然后釋放電容電量至穩(wěn)壓管輸入端和地腳端。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，以穩(wěn)壓管輸出電壓異常為標(biāo)準(zhǔn)，HBM模式下，擊穿電壓為10KV，MM模式下，擊穿電壓為3.5KV。可以判斷MM模式下穩(wěn)壓管更容易擊穿，空調(diào)生產(chǎn)過程中MM模式靜電釋放常見于注塑件、泡沫等易產(chǎn)生靜電材料。

3 對三端穩(wěn)壓管故障件失效情況分析

現(xiàn)從故障件基本屬性、散熱情況、內(nèi)部晶元失效點(diǎn)及通電情況來判斷失效方式。

3.1 穩(wěn)壓管故障品與合格品基本屬性對比

對故障件各引腳之間的PN結(jié)、阻值測量如表3，可知故障件與合格品基本屬性無差別，生產(chǎn)過程中較難識別故障穩(wěn)壓管。

3.2 穩(wěn)壓管散熱情況

故障穩(wěn)壓管與合格穩(wěn)壓管的散熱膏涂覆、散熱器安裝對比如圖8，散熱狀態(tài)良好。

X光查看故障穩(wěn)壓管與合格穩(wěn)壓管的晶元與穩(wěn)壓管散熱塊接觸良好，如圖9。

3.3 故障穩(wěn)壓管內(nèi)部品元失效點(diǎn)分析

通過電子顯微鏡掃描分析故障穩(wěn)壓管受損點(diǎn)，根據(jù)受損點(diǎn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)等判斷受損點(diǎn)是否正確。

3.3.1 電子顯微鏡分析故障穩(wěn)壓管受損點(diǎn)并分析受損方式

使用電子顯微鏡掃描某廠家故障穩(wěn)壓管內(nèi)部晶元，特寫視圖顯示Q7晶體管熔硅，判斷是由于電損傷導(dǎo)致，該廠家穩(wěn)壓管內(nèi)部原理圖如圖10。

穩(wěn)壓管只有Q7晶體管異常，對圖10中Q7晶體管附近電路簡化，分析靜電或過電由穩(wěn)壓管輸入端和地腳竄入時Q7受到的影響，簡化電路如圖12。

由于其輸入端低頻電容濾波的保護(hù)，穩(wěn)壓管裝上PCB板后不會再受EOS（Electrical Over Stress，指所有的過度電性應(yīng)力）類損傷，該穩(wěn)壓管最大輸入電壓為35V，根據(jù)生產(chǎn)工序，35V電壓以上的EOS來源全部在穩(wěn)壓管裝上PCB板后，穩(wěn)壓管不會受到EOS類損傷，判斷為Q7的損傷為ESD（Ele ctrical Static Discha rge，指靜電放電）類損傷導(dǎo)致。

根據(jù)Q7損傷類型為ESD類損傷，若靜電由Ui輸入，地腳輸出，Q7的集電極、基極導(dǎo)通，若靜電壓大于D1穩(wěn)壓值，大量電流流經(jīng)Q7導(dǎo)致其損傷：

若靜電由地腳輸入，Ui輸出，D1導(dǎo)通，靜電電壓大量消耗Q7基極，導(dǎo)致Q7由基極向集電極擊穿。

無論是哪一種靜電竄入方式，該種穩(wěn)壓管涉及方案均容易導(dǎo)致Q7損傷。

3.3.2 設(shè)計實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)判斷受損點(diǎn)是否判斷正確

根據(jù)圖10，Q7穩(wěn)壓管位于的啟動電路，若其損傷，穩(wěn)壓管將無法啟動不工作。對穩(wěn)壓管輸入端輸入電壓，電流流經(jīng)方式如圖13，流向由紅色線出發(fā)，分流成藍(lán)色、綠色線，匯總到紫色線流出地腳。在D2穩(wěn)壓值飽和后，輸出端電壓Vout因只涉及阻性分壓，因此Vout會隨輸入電壓呈線性增長。

設(shè)計實(shí)驗(yàn)：現(xiàn)對故障穩(wěn)壓管輸入端輸入電壓，并不斷增加電壓值，記錄Vout如表4，制作成線形圖如圖14，可知Vout會隨輸入電壓呈線性增長，符合Q7損傷的故障現(xiàn)象。

分析數(shù)據(jù)：根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，故障穩(wěn)壓管的基本屬性PN結(jié)、阻值與合格品無差別。根據(jù)圖10可知基本屬性PN結(jié)、阻值的測量實(shí)際只是測量圖10右側(cè)的部分元器件屬性，Q7的損傷的確不會影響基本屬性，同時也說明圖10靠右側(cè)影響Vout的器件未受損傷。

設(shè)計實(shí)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)的結(jié)果可以判斷Q7損傷符合故障現(xiàn)象。

4 分析結(jié)論及改善方案

4.1結(jié)論

故障三端穩(wěn)壓管損傷點(diǎn)為內(nèi)部Q7晶體管，由于設(shè)計原因，三端穩(wěn)壓管的Q7晶體管極易受靜電損傷，生產(chǎn)需要做好對于三端穩(wěn)壓管的靜電防護(hù)。

具體解決方案為：

1）對比一些廠家穩(wěn)壓管設(shè)計圖，某廠家增加R18電阻用于減少靜電電流，如圖15（數(shù)據(jù)顯示該廠家穩(wěn)壓管故障率只有他廠家故障率的50%）；

2）可針對Q7晶體管本身材質(zhì)提升抗靜電能力，例如采用MOS管替代Q7晶體管；

3）穩(wěn)壓管外部電路增加靜電保護(hù)，例如在穩(wěn)壓管使用方在穩(wěn)壓管輸入端和地腳之間增加用于高頻靜電濾除電容（PF級別），可用于消除部分靜電，減少靜電受損的可能性。

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