三端穩(wěn)壓器,反向擊穿

三端穩(wěn)壓器介紹與分類

在了解三端穩(wěn)壓器反向擊穿之前，先來了解三端穩(wěn)壓器。是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說在一定功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。

分類：

三端穩(wěn)壓器，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓管，另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器。

三端穩(wěn)壓器反向擊穿概述

集成穩(wěn)壓器應(yīng)用測試過程’中，任意兩個(gè)管腳之間嚴(yán)格禁止出現(xiàn)瞬態(tài)的‘反偏’狀態(tài)（包括mS級的瞬態(tài)反偏），否則電路有可能在瞬間被反偏擊穿燒毀。

電路有可能出現(xiàn)反偏擊穿的外部狀態(tài)：GND→IN、OUT→IN、GND→OUT、ADJ→OUT，應(yīng)用中要求：GND →IN≤|-1V|,其他管腳間為≤|-5V|。

【以上幾種現(xiàn)象損壞的穩(wěn)壓器、可以通過電路解剖觀察芯片有不同的燒毀痕跡。】

在測試或裝配過程中‘人為疏忽’造成‘反接’狀態(tài)，是“沒有什么措施可以保護(hù)”的。如：發(fā)生管教倒置，輸入電壓極性接反、樣品規(guī)格與使用規(guī)格不符等情況，必須操作中細(xì)心的加以防止。

在特定情況下有應(yīng)用電路產(chǎn)生的‘瞬態(tài)’的反偏狀態(tài)，可以參考推薦保護(hù)措施增加相應(yīng)保護(hù)元件還是可以避免的，當(dāng)缺少相應(yīng)的保護(hù)元件時(shí)‘偶發(fā)’條件下穩(wěn)壓器電路的隨機(jī)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產(chǎn)品質(zhì)量問題。

三端穩(wěn)壓器反向擊穿分析與防護(hù)

排除人為不當(dāng)造成的電路出現(xiàn)反偏情況，常見的由應(yīng)用電路在特定條件下產(chǎn)生的‘瞬態(tài)’反偏狀態(tài)及擊穿機(jī)理進(jìn)行簡要的描述和分析：

（一）OUT→IN端反偏

產(chǎn)生來源：

①負(fù)載時(shí)對電池類的充電應(yīng)用，斷電時(shí)電池并未脫離電路輸出端。

②電路輸入存在有大的負(fù)向脈沖，如果電路輸入同時(shí)存在較大的感性負(fù)荷的反電動(dòng)勢。

③電路輸出端接入大的濾波電解電容。（發(fā)生較多的反接擊穿情況）

保護(hù)措施：

在電路I-O端之間增加保護(hù)二極管Di，將I-O反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)。

機(jī)理分析：

只要不是穩(wěn)壓電路輸出應(yīng)用環(huán)境造成的工作條件，應(yīng)用中在電路輸出端不應(yīng)接入大的濾波電解電容。接入這個(gè)電解有可能造成一個(gè)電路的OUT→IN端之間的‘反接’機(jī)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(wěn)壓電路輸入電壓處于紋波‘谷點(diǎn)’時(shí)也可以滿足電路穩(wěn)壓必須的最小輸入壓差的特定要求。電路自身具有很強(qiáng)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(gè)電容有時(shí)反而會造成意外損壞穩(wěn)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’，電容充電后可等效為一電池，在特定的情況下，如輸入電壓在瞬間的短路，感性元器件產(chǎn)生的負(fù)脈沖或關(guān)機(jī)后輸入電壓下降更快時(shí)，有可能造成電路VO＞VI的電位反偏狀態(tài)。在輸出端接濾波電容＞20μF以后，電路調(diào)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(tài)反向擊穿或損傷電路調(diào)整管，輸出電容容量越大，反偏電壓越高，對調(diào)整管損傷越嚴(yán)重直至燒毀。

建議：

50Hz市電整流濾波應(yīng)用時(shí)，CD值為每1A負(fù)載電流取2000μf范圍，否則輸入紋波可能較大。在穩(wěn)壓電路的輸入電壓已經(jīng)很低時(shí)，就可能造成（Vi-Vo）低于電路工作時(shí)允許的最小壓差（Vi-Vo）min，出現(xiàn)電路瞬間脫離穩(wěn)壓控制的狀態(tài)。

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

（二）GND→IN端反偏

產(chǎn)生來源

在汽車類電子領(lǐng)域的電路應(yīng)用中發(fā)生較多，如部分車型的汽車馬達(dá)、點(diǎn)火系統(tǒng)等感性設(shè)備產(chǎn)生的約50-200mS脈寬范圍的瞬態(tài)微分峰值電壓可達(dá)+70V、-80V范圍，5-20mS脈寬范圍的可能達(dá)到+110V、-250V范圍。其中的負(fù)向脈沖造成了這種反偏。（正想脈沖可能造成電路輸出出現(xiàn)‘瞬態(tài)’過壓擊穿燒毀）

保護(hù)措施

將反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)，對于負(fù)向脈沖增加Df進(jìn)行抑制。

（三）GND→OUT端反偏

產(chǎn)生來源：

①來自正負(fù)輸出配對應(yīng)用，當(dāng)正負(fù)輸出的公共負(fù)載發(fā)生瞬態(tài)的短路時(shí)。

②電路輸出存在有大的感性負(fù)荷，較大的反向電動(dòng)勢產(chǎn)生的負(fù)向脈沖。

③為獲得高于穩(wěn)壓器標(biāo)稱值的電路輸出，輸出電壓被Dz抬起一個(gè)固定電壓值（如下圖），沒有保護(hù)二極管D的情況下，輸出存在瞬態(tài)的短路情況。

由于設(shè)計(jì)算短穩(wěn)壓器電路正常工作時(shí)，電路的公共端的電位應(yīng)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(tài)，反偏電位的絕對值達(dá)到5V以上時(shí)，mS量級脈寬的瞬態(tài)‘反偏’就會造成內(nèi)部電路的相關(guān)區(qū)域受損或燒毀。這種擊穿是隨機(jī)發(fā)生的現(xiàn)象，不同批次產(chǎn)品或同批次產(chǎn)品發(fā)生概率可能不同。

保護(hù)措施：

應(yīng)將反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)。增加途中二極管D。

（四）Adj→OUT端反偏

可調(diào)三端穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路

產(chǎn)生來源：

從可調(diào)系列電路的典型應(yīng)用電路圖可以看出，應(yīng)用中調(diào)整端Adj的電位應(yīng)永遠(yuǎn)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(diào)系列電路讀書處取樣回路中，電壓幾乎是全部的降在可調(diào)電阻R2上。因此、VC3=VR2≈VO。

產(chǎn)生VO-ADJ端‘反接’的原因：應(yīng)用中在可調(diào)系列電路時(shí)，在輸出下取樣電阻的兩端并聯(lián)一支10μ~47μ的輸出紋波抑制電解C3，這個(gè)C3確實(shí)可起到減小輸出紋波電壓的作用（注意：紋波參數(shù)測試時(shí)，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(gè)電解也創(chuàng)造了一個(gè)ADJ→VO端之間的電路‘反接’機(jī)會。

可調(diào)三端內(nèi)部電路簡圖

從內(nèi)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(shí)，Q17的EB結(jié)就可能因?yàn)殡妷悍雌粨舸?，但足可以燒毀與電阻R14相關(guān)的電阻體、10~20μm寬的鋁引線層、引線孔等局部電路部分。當(dāng)外部表征為器件的輸出電壓不能進(jìn)行調(diào)整時(shí)，這時(shí)電路已經(jīng)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(shí)測一下）。從圖中可以看出、接于Adj端的C3是通過調(diào)整電流Iadj進(jìn)行充電的，但C3被充電后自身是沒有‘低阻的’放電通路的。如果應(yīng)用中設(shè)點(diǎn)VO較高，由于VC3≈VO，必然有C3兩端的電壓VC3也很高。如這時(shí)出現(xiàn)VO≈0時(shí)的瞬間‘短路’狀態(tài)，必然造成Adj→VO端的反偏擊穿，C3儲存的能量通過調(diào)整端內(nèi)部電路進(jìn)行逆向放電（放電通路用虛線表示）。

在C3＞10μF、VC3＞5V以后，僅需mS量級的瞬態(tài)，就有可能燒傷穩(wěn)壓器調(diào)整端內(nèi)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范圍以內(nèi)。

保護(hù)措施：

增加典型應(yīng)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(diào)系列電路，測試儀器使用前應(yīng)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(diào)系列金屬封裝的電路，金屬殼體的裝配孔為第三引出端、并被定義為電路的輸出端。對樣品進(jìn)行測試時(shí)、先接觸插座的肯定是插入孔中的1腳、2腳，即輸入端和調(diào)整端，一旦1腳、2腳插入后、電源立刻通過調(diào)整電流Iadj對接在C3充電。如設(shè)定的VC3較高、最后接觸插座的輸出端可能存在短路的條件時(shí)（可參考下方C-V圖的△t瞬間），就有可能在測試中燒傷穩(wěn)壓器調(diào)整內(nèi)部的局部電路。

三端穩(wěn)壓管內(nèi)部電路圖

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