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提高電源適配器浪涌失效機理和能力

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提高電源適配器浪涌失效機理和能力

首先介紹一下什么是浪涌。浪涌一般是在開關瞬態或者雷電瞬態過程中產生的。

浪涌測試的官方叫法是“浪涌（沖擊）抗擾度實驗”；
測試標準參考IEC61000-4-5，或者GB/T 17626.5；該標準里面有詳細闡述了有關浪涌的知識。

我們在測電源適配器浪涌時，由浪涌發生器輸出的波形是一種組合波：1.2/50us電壓波（開路電壓）和8/20us電流波（短路電流），發生器的等效阻抗是2歐姆，用開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開路電壓波，1.2us是波形的上升時間，具體指波形從10%上升到90%所用的時間，50us是半峰值時間，具體指波形上升至50%到波形下降至50%的時間，用示波器測量設備的開路波形就是這樣的。
  
8/20us短路電流波，8us是波形的上升時間，20us是半峰值時間，具體定義同上，將設備的輸出端短路，測試短路電流就是這樣的波形。
  
這幾個時間及開路電壓峰值、短路電流的誤差見下表：

  

由表可見，該試驗標準規定的誤差還是比較大的，打浪涌曾經有這樣的經歷：一個EUT在自己的驗室打浪涌過了，但在別人家實驗室，同等級的浪涌就是過不了，浪涌設備還是同一個廠家的，很奇怪，
較后對比兩個設備的波形發現，一個偏上限，一個偏下限，都沒有超出標準范圍。其實標準范圍大了，方便了造設備的。

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

CH1-深藍色-VGS波形，
CH2-淺藍色-VDS波形，較大816V，
CH3-紫色-IDS波形，較大10.4A，
CH4-綠色-L線電流波形，較大800A。


LED八字尾電源適配器-單級PFC結構，由于沒有大電解，在打浪涌時，浪涌能量很容易傳遞到功率MOS上。浪涌對MOS管的沖擊失效一般有兩種失效模式：
1-浪涌引起MOSFET 電流應力超過額定值，導致失效；
根據伏秒平衡定律，反激開關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指開關頻率，IL是電感電流。Von一般較大277Vac或者300Vac，但是在浪涌脈沖測試時，由于母線電壓突然升高，超過設計輸入電壓較高值1.2倍或者更多，變壓器電感會迅速出現飽和。下圖1中紫色電流在開關周期后階段出現飽和跡象，MOSFET電流應力迅速上升達到7.32A。在正常開關周期，MOSFET IDS=3A。器件在高電流、高電壓應力發生雪崩，MOSFET失效，表現為短路，引起開關電源適配器輸入端保險絲，整流橋和驅動IC失效。
  
圖1浪涌測試 紫色MOSFET IDS 黃色是VDS                        圖2浪涌測試 紫色VDS電壓 ,藍色是IDS
 SJ-MOSFET 0.3Ω/700V                                                  10A80E VD-MOSFET EAS=454mJ
2-浪涌引起MOSFET 電壓應力超過極限值，導致失效
開關電源適配器在浪涌測試時，由于前端浪涌吸收器件(壓敏電阻等)規格參數偏小導致母線電壓迅速爬升，進而導致MOSFET電壓應力迅速超過額定電壓1.1-1.2倍，MOSFET器件會迅速進入雪崩，IDS電流瞬間變大，導致器件功耗急劇增加，巨大的功耗轉換為溫升超過芯片極限溫度而引起失效。如圖2所示，60W 單級PFC LED電源適配器， 1.5KV 差模浪涌測試失效波形。結合圖3更準確說明此類問題，圖3所示黃色曲線電壓低于680V時，MOSFET處在關斷狀態，IDS幾乎等于0；一旦超過680V，MOS管反向擊穿，電壓被嵌位，IDS電壓迅速爬升，后面器件由于熱量失控而導致失效。

    圖316N65A VD-MOSFET EAS=1000mJ          圖416N65A 規格書極限參數 EAS=1000mJ

黃色線是MOSFETVDS電壓，藍色是IDS
浪涌失效瞬間，MOSFET短路，隨后繼續流過大電流，燒毀其他器件，尤其是采樣電阻較易燒壞，再燒斷保險司或者其他線路，使電源適配器與輸入斷開。
一般都是芯片被嚴重燒傷，見下圖。
     
              圖5 浪涌失效芯片外觀              圖6 浪涌失效芯片外觀

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| 發布時間：2019.03.19    來源：電源適配器廠家
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