Возникновение и предотвращение импульсных перенапряжений в интегральных схемах

Один из наиболее распространенных режимов отказа компонентов в процессе эксплуатации — это электрическая перегрузка, вызванная импульсными перенапряжениями ( EOS) повреждения или выгорание. Ниже кратко обсудим возникновение и предотвращение импульсных перенапряжений в интегральных схемах.

1. Что такое импульсное перенапряжение (электрическая перегрузка EOS)

     Флуктуации в электросети, изменения состояния цепи, подача внешних помех и отказ соседних компонентов могут вызвать в цепи импульсы тока или напряжения с очень высокими пиковыми значениями, называемые импульсными перенапряжениями (электрическая перегрузка EOS). Импульсные перенапряжения могут привести к тому, что компонент будет мгновенно работать в режиме, превышающем максимальные номинальные значения. Средняя мощность импульсных перенапряжений невелика, но мгновенная мощность очень высока и достаточна для выхода компонента из строя. Иногда даже перенапряжения относительно низкой мощности могут вызвать самовозбуждение компонента или эффект блокировки в CMOS-цепи, что приводит к выходу из строя. Выход из строя, вызванный импульсными перенапряжениями, составляет более 50% отказов интегральных схем в процессе эксплуатации.

2. Различие между импульсным перенапряжением и статическим электричеством

Разница между статическим электричеством и импульсным перенапряжением заключается в том, что статическое электричество имеет высокое напряжение, но низкую энергию, а импульсное перенапряжение имеет большую энергию. Поэтому на поверхности цепи, вышедшей из строя из-за статического электричества, не видно точек отказа, а энергопотребление не превышает допустимых значений. Повреждения от импульсных перенапряжений, как правило, видны при осмотре под микроскопом, и часто сопровождаются увеличением энергопотребления.

Аномальное электрическое напряжение, вызывающее выгорание компонента, зависит не от величины напряжения, воздействующего на компонент, а от количества тепловой энергии в джоулях, выделяемой этим напряжением на компоненте. Это похоже на то, что человек может стоять под высоковольтной линией электропередачи в десятки киловольт и ничего не чувствовать, но прикосновение к сети 220 В переменного тока уже опасно.

Закон Джоуля-Ленца: тепловая энергия, выделяемая на чисто активной нагрузке:

      Q=W=Uit=U²/R×t

Если R=5Ω, U1=1000В (статическое электричество), t1=1 мкс (статическое электричество), то тепловая энергия, выделяемая статическим электричеством на полупроводнике, равна:

   Q1=1000²В/5Ω×1 мкс=200 мДж

Если R=5Ω, U2=50В (импульсное перенапряжение), t2=100 мс (импульсное перенапряжение), то тепловая энергия, выделяемая импульсным перенапряжением на полупроводниковом переходе, равна:

     Q 2 =50²В/5Ω×100 мс=50 Дж

3. Причины возникновения импульсных перенапряжений в цепи

(a) Импульсный ток при подключении емкостной нагрузки. При управлении емкостной нагрузкой в схеме переключения, когда в цепи происходит скачок напряжения, из-за того, что напряжение на конденсаторе не может резко измениться, возникает мгновенный ток заряда конденсатора. Его величина равна. Например, стабилизатор напряжения, выход которого подключен к большому конденсатору, а вход не подключен к конденсатору. В момент включения питания возникает очень большой ток, который может вывести стабилизатор из строя.

(b) Импульсное напряжение при отключении индуктивной нагрузки. Когда цепь переключается из открытого состояния в закрытое, из-за того, что ток в индуктивности не может резко измениться, на индуктивности возникает импульсное напряжение, препятствующее изменению тока. Его величина равна.

(c) При использовании входного или выходного трансформатора в цепи, в случае разомкнутой цепи первичной обмотки входного трансформатора или вторичной обмотки выходного трансформатора, может индуцироваться очень высокое напряжение, что приводит к повреждению входного или выходного каскада цепи.

(d) Флуктуации напряжения в сети, особенно внезапные отключения и включения питания, также могут вызвать большие импульсные напряжения и токи.

(e) Из-за ошибок в подключении или неправильных действий, таких как неправильная последовательность включения питания, может произойти прямое или обратное пробой некоторых транзисторов в цепи, что не только ухудшает характеристики транзисторов, но и вызывает импульсные токи.

  ( f) Импульсные токи могут возникать при переключении цифровых цепей. Процесс переключения цифровых цепей часто заключается в том, что часть транзисторов переходит из проводящего состояния в непроводящее, а другая часть — из непроводящего в проводящее. Транзисторы имеют соответствующие времена переключения, то есть время зарядки и разрядки накопленного заряда, при переключении возникает одновременное включение обеих частей транзисторов, что приводит к возникновению импульсных токов в цепи.

4. Предотвращение импульсных перенапряжений

    ( a) Правильное использование интегральных схем, включая правильное подключение, последовательность включения и отключения питания, процедуры тестирования, методы эксплуатации и т. д. Тщательная проверка внешних электронных компонентов для предотвращения отказов внешних электронных компонентов, которые могут привести к возникновению импульсных перенапряжений.

(b) В цепях, в которых возникают импульсные токи, для их устранения, как правило, включают последовательно соответствующие индуктивности или резисторы.

(c) В цепях, в которых возникают импульсные напряжения, для их устранения, как правило, подключают параллельно резистор или диод (диод должен проводить ток при возникновении импульсного напряжения).

(d) При проектировании следует руководствоваться руководством по эксплуатации интегральных схем, все необходимые компоненты должны быть использованы, например, конденсаторы для подавления колебаний, конденсаторы фильтрации питания и т. д.

(e) Следует избегать разомкнутой цепи первичной обмотки входного трансформатора и вторичной обмотки выходного трансформатора, при необходимости можно подключить параллельно резистор или конденсатор.