ღ◈★★：随着科技的飞速发展ღ◈★★，电器设备的使用越来越广泛ღ◈★★，功能也越来越强大ღ◈★★，体积也越来越小ღ◈★★，导致了对电源模块要求在不断增加ღ◈★★。开关芯片在应用中失效ღ◈★★，经分析为电路设计本身

　　现代电子设备对电源模块的工作效率ღ◈★★、体积以及安全要求等技术性能指标要求越来越高ღ◈★★，开关电源电路凭借良好的性能在电子设备中得到了广泛的应用ღ◈★★。开关芯片作为开关电源电路的重要组成器件ღ◈★★，决定了开关电源的质量ღ◈★★。开关芯片在各种设备电源模块ღ◈★★、以及家用电器均有使用ღ◈★★。随着开关电源电路的大量使用凯发k8国际百乐app下载凯发k8国际百乐app下载ღ◈★★，售后失效控制原因中因开关芯片导致的失效也是逐年呈上升趋势ღ◈★★，每年因开关芯片失效导致控制器失效的维修成本也在不断上升ღ◈★★。

　　2020 年 7 月中国家用空调新能效标准发布ღ◈★★，新能效实施对全球能效结构趋势的影响成为大家关注的焦点ღ◈★★。从新实施的能效结构来看ღ◈★★，未来新 1 级和新 3 级能效空调产品将是市场主导ღ◈★★，尤其是新 1 级能效ღ◈★★，预计市场份额还将持续扩大ღ◈★★。变频空调开关电源电路使用开关芯片在实际应运中出现多单失效ღ◈★★，严重影响产品使用可靠性ღ◈★★，此问题急需进行分析研究解决ღ◈★★。本文重点研究 PI 厂家开关芯片的可靠性及其失效机理ღ◈★★，通过售后失效数据采集ღ◈★★，对其进行专项优化整改ღ◈★★。

　　现在市场使用的主流开关芯片厂家主要有美国的 PI 与 ON（安森美）ღ◈★★，以及日本的 SKღ◈★★。因其三个厂家开关芯片可靠性高ღ◈★★、电路设计成熟ღ◈★★、应用范围广等特点ღ◈★★，在开关电源电路中得到大批量使用ღ◈★★。开关芯片从 2014 年开始不断大批量使用以来ღ◈★★，售后失效数量也在成倍增长ღ◈★★。统计 2019 年开关芯片售后失效数据ღ◈★★，见下表 1ღ◈★★，主要是 PI 厂家失效ღ◈★★，占比总失效数 73.8%ღ◈★★，故障率高达 262PPMღ◈★★。ON 与 SK 厂家失效占比较少ღ◈★★，故障率相对较低ღ◈★★，通过数据显示 PI 厂家开关芯片失效尤其突出ღ◈★★。

　　统计 PI 厂家开关芯片售后失效数据ღ◈★★，最近两年出现失效增多ღ◈★★，已经有 300 多单ღ◈★★，主要失效 3 脚及弱电侧对地值小或短路ღ◈★★。具体失效统计数据见下表 2ღ◈★★。

　　开关电源是电源模块发展的根本ღ◈★★，是电源发展的趋势ღ◈★★，选用功率半导体元器件作为软启动开关ღ◈★★，利用晶体管的占空比实现电路的导通和关断ღ◈★★，以便对输出实现在不同工作下的稳定调整输出ღ◈★★。

　　开关电源电路由 DC-DC 转换器ღ◈★★，驱动器ღ◈★★，信号源ღ◈★★，比较放大器ღ◈★★，负载等组成ღ◈★★，图 1 是它的基础结构框图ღ◈★★。开关电源不同于普通工频变压器电源ღ◈★★，主要是通过在初级绕组回路中串入开关管ღ◈★★，通过高频可调占空比地开关ღ◈★★，从而使加在初级绕组两端的 HVDC 在电路中形成脉冲变化的电流凯发k8国际百乐app下载ღ◈★★，将能量通过磁芯传至次级绕组ღ◈★★，再通过半波整流和滤波ღ◈★★，配合电压ღ◈★★、电流反馈ღ◈★★，最终形成我们所需要的低压直流电源ღ◈★★。

　　PI厂家TOP264（编码ღ◈★★：7）与TOP267（编码ღ◈★★：36008024）开关芯片引脚排布均相同ღ◈★★，管脚功能描述相同俄罗斯victory day小孩ღ◈★★，只是其功率不一样ღ◈★★。各引脚外观图如图 2 所示ღ◈★★。 PI 厂家 TOP264-271 系列开关芯片各管脚定义描述ღ◈★★，见下表 3ღ◈★★。

　　开关电源电路设计是一个完整的闭环电路ღ◈★★，单个器件失效要从整个电路分析ღ◈★★。出现开关电源芯片失效有可能是芯片本身问题ღ◈★★，或者电路设计存在问题以及出现磁饱和ღ◈★★。开关电源磁饱和与开关电源电路中器件配合有直接关系ღ◈★★，开关电源芯片ღ◈★★、高频变压器ღ◈★★、输入电源ღ◈★★、应用环境ღ◈★★、测试过程等都是影响开关电源可靠性关键问题ღ◈★★。一般磁饱和会导致芯片漏极产生瞬间过压冲击从而击穿 芯片ღ◈★★，主要表现为芯片表面烧毁及炸裂ღ◈★★，本次出现的失效模式与此有所不同ღ◈★★，针对产生疑问进行分析验证ღ◈★★。

　　对失效主板检测芯片 3 脚对地短路ღ◈★★，3ღ◈★★、4 脚短路ღ◈★★，失效主板更换芯片测试正常ღ◈★★，芯片集中在弱电侧失效ღ◈★★，强电侧 MOSFET 没有击穿失效及受损现象凯发k8国际百乐app下载ღ◈★★。失效样品引脚 I-V 特性曲线 脚对芯片源极短路ღ◈★★，其余引脚特性无异常ღ◈★★。

　　观察内部结构ღ◈★★，见图 4ღ◈★★，对不良品进行 X-RAY 透视显示不良品焊线正常ღ◈★★、弧度正常ღ◈★★，通过观察未发现结构性异常ღ◈★★。

　　取其中 5 个 故障样品进行开封观察内部结构ღ◈★★，见图 5 所示ღ◈★★，可以看到内部晶片有大面积过电烧毁的痕迹ღ◈★★，未见产品晶元制造不良ღ◈★★。

　　过载测试漏极瞬间开通电流峰值ღ◈★★，通电 50 次测试最大电流峰值 1.8 Aღ◈★★。稳定后平均电流值约 900 mAღ◈★★，通电 50 次测试平均电流值在 800 mA-1.2 Aღ◈★★。测试波形如图 6 所示ღ◈★★。

　　分析结果ღ◈★★：经过对失效主板进行整机分析验证及过载波形分析测试确定电源芯片失效非磁饱和问题导致ღ◈★★。实际开关电源漏极耐压设计余量充足ღ◈★★。整体测试开通瞬间漏极峰值电流小于设计值 60%ღ◈★★。

　　经过对芯片弱电脚进行 ESD 测试确定芯片 ESD 极限水平均超过 10 kVღ◈★★，综合评估非芯片 ESD 等级低ღ◈★★。PI 厂家开关芯片售后失效分体机主板集中在 3 脚失效问题做 ESD 测试ღ◈★★，施加最高电压 10 000 Vღ◈★★，主板只出现芯片短暂复位ღ◈★★，主板无失效ღ◈★★，测试确认 ESD 放电回路设计合理ღ◈★★，没有出现在光耦附近有放电现象ღ◈★★，放电是在 K1K2 继电器位置ღ◈★★。目前厂内主要使用 36008024 TOP267VG 和 7 TOP264VG2 款开关芯片ღ◈★★，其中 TOP267VG 型号芯片主要使用在柜内机以及商用 机主板上ღ◈★★，TOP264VG 型号芯片主要使用在分体内机主板上ღ◈★★，从售后失效数据看这 2 款芯片均有失效ღ◈★★，且集中在第 3 脚ღ◈★★，其中 TOP264VG 型号芯片失效最为突出ღ◈★★。

　　2 款芯片在电路设计上均在芯片 4 脚频率引脚 (F) 与 6 脚漏极引脚 (D) 之间开有避火槽凯发k8国际百乐app下载ღ◈★★，符合控制器设计规范ღ◈★★，具体见图 7ღ◈★★。对比目前班组生产分体机主板（1）凯发k8国际百乐app下载ღ◈★★，开关电源芯片 TOP264VG 第 3 脚经过 J2 跳线 脚上ღ◈★★，无防护元件ღ◈★★，电路设计上存在缺陷ღ◈★★。柜机主板（5）开关电源芯片第 3 脚有 C76 片状电容 104 K/50 V 防护ღ◈★★。

　　从生产过程排查情况看ღ◈★★，其中 450 V/150 µF 电解电容在未使用放电板放电前残留电压较高在 3 V 左右凯发k8国际百乐app下载ღ◈★★，450 V/47 µF 电解电容残留电压较低ღ◈★★，生产过程已均使用放电板放电后进行插装ღ◈★★。功能自动测试均自带有放电电路ღ◈★★，测试后电解电容残留电压低于芯片安全电压 3 V声音科技ღ◈★★。ღ◈★★。

　　（1）ESD 放电回路最小间距点放电击穿问题ღ◈★★，次级供电电路与开关芯片信号反馈电路测试点距离很近ღ◈★★。

　　（3）光耦输出级短路隐患ღ◈★★，自插光耦需要注意测试不能出现 3.4 脚短路隐患ღ◈★★，光耦输出级短路开关芯片弱电失效概率很高俄罗斯victory day小孩ღ◈★★。

　　图 9 所示测试植针点分布图ღ◈★★，经查此 3 个位置范围内未植针ღ◈★★，不存在短路隐患ღ◈★★。FCT 测试工装在开关电源电路上无定点ღ◈★★，不存在探针短路导致开关电源芯片失效隐患ღ◈★★。

　　使用示波器对 5 主板 C126 电容进行验证ღ◈★★，在电容接上放电回路在 640 ms 内电压从 15 V 放到 0 Vღ◈★★，见图 10ღ◈★★；不接放电回路ღ◈★★，在 17 分钟电压还有 9 V 以上（开关芯片 36008024 控制接脚电压范围ღ◈★★：-0.3 V— 9 V）ღ◈★★，见图 11智能声控ღ◈★★。

　　分析结果ღ◈★★：排查测试过程测试点分布未发现明显测试点短路隐患ღ◈★★，测试工装对控制器测试无完后ღ◈★★，反馈光耦两端关闭ღ◈★★，在不接放电回路情况下 C126 反馈端电解电容放电很慢凯发k8国际百乐app下载ღ◈★★，17 分钟都没下降到 9 V俄罗斯victory day小孩ღ◈★★，电容长期带电存在很大隐患ღ◈★★。

　　结论ღ◈★★：分析开关芯片失效为过电损伤失效ღ◈★★，非开关芯片本身异常ღ◈★★。控制器测试完后反馈端电容不能有效放电ღ◈★★，电容部放在流水线或是人接触等因素会导致电容放电损坏开关芯片弱电引脚凯发k8国际首页登录ღ◈★★，ღ◈★★，导致开关电源芯片内部晶圆软损伤ღ◈★★。分析此次开关电源开关芯片失效为设计缺陷导致凯发国际官网ღ◈★★！ღ◈★★，为应用电路设计不合理ღ◈★★，没有对电解电容有效放电ღ◈★★。

　　电解电容增加放电工装ღ◈★★，对控制器开关芯片电源电路次级输出供电光耦电路 47 µF 电容（5 主板对应是 C126）增加放电处理ღ◈★★，见图 12ღ◈★★，验证放电效果显著ღ◈★★。此种放电影响测试效率ღ◈★★，且放电工装与放电部点损坏短路也会导致开关芯片失效ღ◈★★，不能有效监控ღ◈★★，只能作为临时措施ღ◈★★。

　　开关芯片集中在弱电侧控制端失效ღ◈★★，弱电侧失效多数跟主板线路设计走线及过程 ESDღ◈★★、过程测试放电管理存在很大关系ღ◈★★，分体机中 PI 的开关芯片电路设计存在不足ღ◈★★，在主板测试完ღ◈★★，光耦输出级处于开路状态ღ◈★★，电解电容储存电量是没有负载回路进行消耗ღ◈★★，如果过程管理不当很容易出现操作ღ◈★★、周转等异常因素导致芯片过电损伤ღ◈★★。根据相关电路分析ღ◈★★，模拟在光耦供电电路 C502 电解电容（如图 13）两端并联 20 kΩ 片状电阻放电ღ◈★★，以便能更好快速消耗电解电容储存的电量ღ◈★★，结果显示储存电量 4 秒内时间消耗完毕ღ◈★★，放电效果显著ღ◈★★。

　　TOP264 开关芯片在光耦输出端电解电容增加 20 kΩ放电电阻ღ◈★★，测试电容放电情况ღ◈★★。加上 R23（20 K）放电时间约 4 秒俄罗斯victory day小孩ღ◈★★。

　　去掉电路 R23 放电电阻ღ◈★★，2 单故障板未增加 20 kΩ 放电电阻ღ◈★★，测试光耦输出端电解电容放电情况ღ◈★★，放电时间超过 5 分钟ღ◈★★，单个控制器从测试到打包完成在 2 分钟内ღ◈★★，主板一直生产过程后工序一直带电俄罗斯victory day小孩ღ◈★★。

　　由于 2019 年 PI 厂家的 TOP264 电源芯片在售后故障率较高ღ◈★★，针对失效点主要集中于 3 脚对地短路问题ღ◈★★，从设计基础增加了 20 kΩ 放电电阻ღ◈★★，整改后失效大幅度降低ღ◈★★，但还是有失效ღ◈★★。实际多次模拟验证过程测试完成后ღ◈★★，测量开关芯片线 所示ღ◈★★，测试后放电未发现异常情况ღ◈★★。

　　经过对电路分析研究ღ◈★★，发现放电只是一部分ღ◈★★，当外部有比较大的浪涌电压与出现瞬间短路放电ღ◈★★，将直接到开关芯片 3 脚控制端ღ◈★★，此电压短时间内有损伤 3 脚的隐患ღ◈★★。研究发现在开关电源芯片 3 脚对地增加 100 Ω限流电阻（R74）ღ◈★★，见图 17 所示ღ◈★★，可以有效起到限流作用ღ◈★★，且可缩短放电时间ღ◈★★。通过模拟空载上电验证ღ◈★★，电路优化后放电时间减少到 3 秒ღ◈★★，且当外部有浪涌电压时此电阻可以有效泄放ღ◈★★。

　　本次售后出现开关芯片失效ღ◈★★，经多方面分析验证得出非芯片本身出现异常ღ◈★★，属于开关电源电路电路设计缺陷凯发K8天生赢家一触即发ღ◈★★，ღ◈★★，在电路设计开发时未能有效考虑测试开关电源放电设计ღ◈★★，电路设计缺陷评估不充分导致实际应用出现失效ღ◈★★。整改通过优化电路设计ღ◈★★，在电容端增加 20 kΩ 放电电阻ღ◈★★，在 3 脚增加 100 Ω 放电电阻ღ◈★★。整改后电路经过实际试验验证确定可以有效解决问题ღ◈★★，实际应用效果显著ღ◈★★，开关芯片失效大幅度减少ღ◈★★。

　　[4] 项永金,崔斌,等.POWER开关电源芯片应用静电损伤失效可靠性研究与提升[J].电子产品世界.2018(11):68-70.