三端穩(wěn)壓器反向擊穿分析與防護(hù)舉措-引腳識(shí)別及好壞判斷方法-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-01-16
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。
三端穩(wěn)壓管，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)壓管。
因?yàn)楣潭ㄈ朔€(wěn)壓器屬于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，因此它的原理等同于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。
其中R1、Rp、R2組成的分壓器是取樣電路，從輸出端取出部分電壓UB2作為取樣電壓加至三極管T2的基極。穩(wěn)壓管Dz以其穩(wěn)定電壓Uz作為基準(zhǔn)電壓，加在T2的發(fā)射極上。R3是穩(wěn)壓管的限流電阻。三極管T2組成比較放大電路，它將取樣電壓UB2與基準(zhǔn)電壓Uz加以比較和放大，再去控制三極管T1的基極電位。輸入電壓Ui加在三極管T1與負(fù)載RL相串聯(lián)的電路上，因此，改變T1集電極間的電壓降UCE1便可調(diào)節(jié)RL兩端的電壓Uo。也就是說，穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo可以通過三極管T1加以調(diào)節(jié)，所以T1稱為調(diào)整管。由于調(diào)整元件是晶體管管，而且在電路中與負(fù)載相串聯(lián)，故稱為晶體管串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。電阻R4和T1的基極偏置電阻，也是T2的集電極負(fù)載電阻。
當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或負(fù)載電阻減小而使輸出端電壓有所下降時(shí)，其取樣電壓UB2相應(yīng)減小，T2基極電位下降。但因T2發(fā)射極電位既穩(wěn)壓管的穩(wěn)定Uz保持不變，所以發(fā)射極電壓UBE2減小，導(dǎo)致T2集電極電流減小而集電極電位Uc2升高。由于放大管T2的集電極與調(diào)整管T1的基極接在一起，故T1基極電位升高，導(dǎo)致集電極電流增大而管壓降UCE1減小。因?yàn)門1與RL串聯(lián)，所以，輸出電壓Uo基本不變。
同理,當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化引起輸出電壓Uo增大時(shí)，通過取樣、比較放大、調(diào)整等過程，將使調(diào)整調(diào)整管的管壓降UCE1增加，結(jié)果抑制了輸出端電壓的增大，輸出電壓仍基本保持不變。
調(diào)節(jié)電位器Rp，可對輸出電壓進(jìn)行微調(diào)。調(diào)整管T1與負(fù)載電阻RL組成的是射極輸出電路，所以具有穩(wěn)定輸出電壓的特點(diǎn)。
在串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路的工作過程中，要求調(diào)整管始終處在放大狀態(tài)。通過調(diào)整管的電流等于負(fù)載電流，因此必須選用適當(dāng)?shù)拇蠊β使茏髡{(diào)整管，并按規(guī)定安裝散熱裝置。為了防止短路或長期過載燒壞調(diào)整管，在直流穩(wěn)壓器中一般還設(shè)有短路保護(hù)和過載保護(hù)等電路。
三端穩(wěn)壓器反向擊穿，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(jí)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。
1、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)。
2、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(huì)。
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(huì)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(chǔ)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(jí)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。
3、附帶的建議：
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(huì)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。
1、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）
2、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。
1、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(jí)脈寬的瞬態(tài)‘反偏’就會(huì)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。
2、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。
可調(diào)三端穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路
1、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(huì)。
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(chǔ)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(jí)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)。
2、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。聲明：由這種情況造成測試后電路樣品失效不是個(gè)案。
(1)引腳識(shí)別
三端穩(wěn)壓器的封裝有金屬封裝和塑料封裝兩種，外形如同一只大功率晶體管，引腳的排列如圖9-30所示。不同系列的穩(wěn)壓器，其各腳的作用不同。其中最常用的W78××系列穩(wěn)壓器，為輸入端(I)，為輸出端(O)，為公共端(COM);W79××系列則是為公共端，為輸出端，為輸入端;常用的可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317T，外形如W78××，其為可調(diào)端，為輸入端，為輸出端。端輸出電壓值由端電壓變化調(diào)節(jié)。
(2)性能鑒別
對78××和79××系列三端穩(wěn)壓器，鑒別其好壞可使用萬用表 R × 100擋，分別檢測其輸入端與輸出端的正、反向電阻值。正常時(shí)，阻值相差在數(shù)千歐以上;若阻值相差很小或近似為零，說明其已損壞。表9-14、表9-15為最常用的78××和79××21種三端穩(wěn)壓器的實(shí)測各引腳非在路電阻值，供檢測時(shí)參考。
表下表 78××三端穩(wěn)壓器各引腳非在路電阻值(kΩ )
下表 79××三端穩(wěn)壓器各引腳非在路電阻值(kΩ )
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