做電源管理相關(guān)的應(yīng)用，想不遇到器件損壞的狀況是不可能的事情，雖然誰(shuí)都不想這樣。我做電源管理器件的FAE已經(jīng)有15年時(shí)間，遇到這樣的狀況已經(jīng)不計(jì)其數(shù)，我的同事們也都如此，常常處于忙碌的狀態(tài)。很多客戶在遇到這樣的問(wèn)題時(shí)都會(huì)希望得到一份詳細(xì)的分析報(bào)告，把損壞的樣品送回原廠分析成為很多客戶的第一選擇，但我常常對(duì)此表示反對(duì)，總是主張要在第一現(xiàn)場(chǎng)就把問(wèn)題處理掉，但是送廠分析的狀況還是會(huì)經(jīng)常發(fā)生，而且有很多的結(jié)論都是EOS。這樣的狀況發(fā)生多了，自己都會(huì)有情緒，難道就不能給點(diǎn)別的理由嗎？為什么總是EOS？這種情緒不僅會(huì)在我的身上出現(xiàn)，其他人也會(huì)有。

這里說(shuō)的情緒不是好的情緒，否則也就沒(méi)有必要拿來(lái)說(shuō)了。我們厭倦EOS這一結(jié)論，只是因?yàn)樗珮?biāo)準(zhǔn)化了，而且老是出現(xiàn)，但要想知道是為什么，卻又找不到方向，不知道要如何應(yīng)對(duì)，這才出現(xiàn)了厭煩的心理。如果我們一開(kāi)始就知道它是怎么回事，那么這一結(jié)論就能給我們指明方向，知道要如何下手。心里跟明鏡似的，哪里還會(huì)有情緒呢？

EOS的定義

EOS是英文Electrical Over Stress的首字母縮寫(xiě)，其意為電氣過(guò)應(yīng)力 ，意思就是有過(guò)高的電壓和/或電流信號(hào)加到了受試對(duì)象上，它受不了了，被損壞了，所以說(shuō)“過(guò)”了。

EOS的發(fā)生和危害

要生成EOS可以有三種方法：高電壓，大電流，高電壓+大電流。

高電壓很容易生成，而且很容易被看到，我們的萬(wàn)用表、示波器經(jīng)常都在為我們提供這樣的信息，要測(cè)量起來(lái)也最方便，因而很容易被感知到。高壓帶來(lái)的危害常常是擊穿，因?yàn)樗谑茉囄锏膬?nèi)部形成了高壓電場(chǎng)，物質(zhì)分子可以因此而被極化撕裂，然后再形成大電流通路，發(fā)熱，甚至燃燒，直至被徹底損毀。

大電流流過(guò)物體的時(shí)候，常常也伴隨著發(fā)熱，因?yàn)?a target="_blank">電阻在一般物質(zhì)中總是存在的，而I2R的結(jié)果就是熱量，它與電流的平方成正比，這世上沒(méi)有什么東西是能夠承受無(wú)止境的發(fā)熱的，所以大電流的危害常常也是很大的。

如果把這兩者在結(jié)合在一起，高熱量是自然的結(jié)果，危害就不再細(xì)說(shuō)了，說(shuō)起來(lái)都是淚??！

根據(jù)歐姆定律，I=V/R，R通常是負(fù)載的特性，電壓是外加的應(yīng)力，它們的結(jié)合才有了電流，它是一個(gè)結(jié)果，所以，我們關(guān)注的重點(diǎn)常常是在電壓上，管好了它，很多問(wèn)題也就避免了。

電源IC保護(hù)自己的方法

當(dāng)過(guò)高的電壓加到IC端子上的時(shí)候，它很容易就損壞了，而這種機(jī)會(huì)又很容易發(fā)生，例如靜電放電就會(huì)隨時(shí)遇到，所以IC都會(huì)在大多數(shù)對(duì)外連接的端子上預(yù)設(shè)靜電放電單元，如下圖所示：

這是一顆Buck轉(zhuǎn)換器IC，它的VIN、EN、FB和GND之間以及BOOT和SW端子之間都設(shè)計(jì)了ESD保護(hù)單元，可在這些端子上出現(xiàn)較高的電壓時(shí)導(dǎo)通將過(guò)高的電壓限制住，避免它們被過(guò)高的電壓應(yīng)力損傷或損壞。

再來(lái)看看下面這顆IC，它的型號(hào)是RT9746，是一顆過(guò)流過(guò)壓保護(hù)IC，它容許6.2V~14.5V（可選）的電壓經(jīng)過(guò)它通向負(fù)載，并在超出時(shí)關(guān)斷以保護(hù)系統(tǒng)不受傷害，并能承受最高達(dá)100V的電壓沖擊，這是因?yàn)樗妮斎攵藘?nèi)加入了可以將輸入電壓鉗位在30V的功率TVS。

假如端口上出現(xiàn)了如下圖所示的80V電壓沖擊：

由于有RT9746的存在，這個(gè)高壓信號(hào)就變成了下面的樣子，對(duì)芯片的危害可能性已經(jīng)大大地降低了。

來(lái)看看它的內(nèi)部框圖，我們可以看到內(nèi)部TVS的存在，它位于VIN和GND_PTVS端子之間。

如果我們?cè)倩氐紹uck轉(zhuǎn)換器上，并對(duì)型號(hào)為RT7285C的器件的VIN和GND之間的ESD保護(hù)單元進(jìn)行測(cè)試，我們將可以看到它的鉗位電壓位于25.5V上：

而按照規(guī)格書(shū)，該器件的推薦工作電壓最高為18V，容許出現(xiàn)在該處的最高電壓為20V，這些參數(shù)在規(guī)格書(shū)中表示如下：

實(shí)際上，每個(gè)IC端子的ESD保護(hù)單元的鉗位電壓都是高于其容許的絕對(duì)最高額定電壓的，其間的關(guān)系如下圖所示：

在實(shí)際工作的時(shí)候，一般情況下只能將低于推薦最高工作電壓的電壓施加到端子上，只有在很特殊的狀態(tài)下才可以讓電壓高到絕對(duì)最高額定電壓處。一旦電壓太高進(jìn)入ESD元件鉗位保護(hù)區(qū)，ESD元件就會(huì)被觸發(fā)，電流就會(huì)進(jìn)入其中并被導(dǎo)入到地，這些能量就不能被正常使用而是被消耗掉了。在電壓更高的地方則是器件的制程和設(shè)計(jì)容許的極限，是絕對(duì)不能被觸及之處，高到那里的電壓將直接將器件擊穿損壞，再也沒(méi)有回環(huán)的余地了，但是只要還有ESD元件存在，器件的擊穿區(qū)就不會(huì)被觸及，因?yàn)殡妷罕籈SD元件鉗位了，這也正是ESD元件存在的意義。

ESD電路模型和ESD過(guò)程

ESD是Electro-Static Discharge的首字母縮寫(xiě)，意為靜電放電。靜電的出現(xiàn)非常容易，它們常常積聚在物體的表面，這樣的表面與相對(duì)電極之間的電容極小，因而形成很高的電壓。一旦有機(jī)會(huì)形成回路，這些靜電荷就會(huì)移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)電中和，其放電過(guò)程會(huì)非?？焖?，因而可以在瞬間釋放出大量的能量。用于模擬這樣的靜電放電過(guò)程的最常用模型是人體模型，它是先將一個(gè)100pF的電容充電至某個(gè)電壓如2kV，然后再通過(guò)串聯(lián)一只1.5kΩ的電阻對(duì)受試元件進(jìn)行放電，以此檢查該器件是否能在這樣的環(huán)境下生存下來(lái)，其電路模型和實(shí)驗(yàn)中的放電過(guò)程如下圖所示：

圖中的DUT即為受試元件，其中的ESD Cell即是我們上文所說(shuō)的ESD單元，它起著泄放來(lái)自電容C1中的電能的任務(wù)。

對(duì)于2kV的靜電測(cè)試來(lái)說(shuō)，電容中儲(chǔ)存的電荷總量約為0.2μC。假如受試元件中的ESD單元的鉗位電壓為27V，電荷釋放過(guò)程在此單元中留下的能量約為27V x 0.2μC =5.4μJ，它們將在ESD單元中轉(zhuǎn)化為熱量并使其溫度上升。很顯然，器件的封裝將起到熱均衡的作用，此放電過(guò)程生成的熱量將通過(guò)封裝傳播到周?chē)h(huán)境中，并最終穩(wěn)定在某個(gè)程度上。

EOS的發(fā)生

假如上述的ESD現(xiàn)象呈現(xiàn)為更高的電壓、更大的電容、更高的鉗位電壓，我們將發(fā)現(xiàn)最終落在ESD單元上的能量將更大，使得器件的封裝根本來(lái)不及將太多的熱量散發(fā)出去，ESD單元將因過(guò)高的溫度而損毀，這就構(gòu)成了EOS事件，與上述的試驗(yàn)并無(wú)本質(zhì)的差異，僅僅是量變帶來(lái)了質(zhì)變而已。

EOS現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)

在上文的測(cè)試RT7285C VIN端ESD單元的鉗位電壓的實(shí)驗(yàn)中，我們可以看到鉗位電壓位于25.5V處，流過(guò)的電流則被限制在100μA x 10 = 1mA以?xún)?nèi)，由于電流很小，最大的功耗只有25.5mW，器件是安全的。下面的演示將電流限制增加，器件就將變得不再安全了。

當(dāng)電流限制為40mA時(shí)，ESD單元進(jìn)入了鉗位狀態(tài)，但還沒(méi)有失效；當(dāng)電流限制被進(jìn)一步放大以后，器件就失效了，這種失效是無(wú)法挽回的。

這些測(cè)試都是在Curve Tracer也就是測(cè)量電壓、電流關(guān)系的圖示儀上進(jìn)行的，有的人可能不習(xí)慣，下面我們用示波器來(lái)看看。

熱量的累積和釋放是需要時(shí)間的，所以我們可以用可變的電流脈沖寬度來(lái)看ESD單元的承受能力，這樣就有了下面的測(cè)試方法：

當(dāng)可變寬度的脈沖信號(hào)被施加到Q2的基極時(shí)，Q1將輸出與之對(duì)應(yīng)的電流脈沖，連接在受試元件上的示波器將記錄下ESD單元上流過(guò)的電流和形成的電壓。當(dāng)ESD單元因過(guò)多的熱量累積而損壞時(shí)，測(cè)得的電流將增加而電壓將下降，這就表示ESD單元已經(jīng)損壞了。

這個(gè)圖表示的是持續(xù)時(shí)間為7μs的197mA電流脈沖流過(guò)ESD單元，它安然無(wú)恙。

這兩幅圖顯示的是持續(xù)時(shí)間為6.2μs的268mA電流脈沖和持續(xù)時(shí)間為11.1μs的175mA電流脈沖使ESD單元被擊穿損壞了。

這樣的三組數(shù)據(jù)告訴我們的是這樣一個(gè)事實(shí)，造成損壞的原因不是電流的大小，是電流的時(shí)間累積，而電壓一直都沒(méi)有變化。

如果我們將波形在時(shí)間上展開(kāi)來(lái)看，將看到被擊穿以后的ESD單元只有很低的電壓可以呈現(xiàn)：

如上圖，擊穿以后的電壓大約為3V。如果這樣的器件在電路中被損壞，那就意味著將有大電流流過(guò)它，最后會(huì)發(fā)生什么危險(xiǎn)就很難判定了。

EOS發(fā)生以后的器件是什么樣子呢？看看下圖大概能發(fā)現(xiàn)一些端倪：

從放大以后的圖形上可以看到，ESD單元所在的地方出現(xiàn)了高溫灼燒后的痕跡，與之鄰近的上橋MOSFET開(kāi)關(guān)區(qū)域也出現(xiàn)了損傷。總體來(lái)說(shuō)，這算是很小的傷害，因?yàn)檫@是在受控的條件下發(fā)生的，實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的傷害可能就是多種多樣的了，有的會(huì)慘不忍睹，不信的就來(lái)欣賞一下下面這幅圖吧：

當(dāng)原廠的工程師拿到這樣的東西的時(shí)候，解剖的結(jié)果通常也就是如此，他能看出來(lái)是受到EOS攻擊了，但卻很難看出這個(gè)EOS是如何發(fā)生的，于是乎事情又要回到原點(diǎn)，我們需要在現(xiàn)場(chǎng)去探索到底發(fā)生了什么，這就是很多FAE在做的事情，也是作為一個(gè)應(yīng)用工程師需要去研究的。