在咱们项目开发和产品量产进程中总是会呈现一些 IC 损坏的现象，一般要想找出这些 IC损坏的根本原因并不总是很简略。有些偶发性的损坏很难被重现，这时的难度就会更大。并且有些时分 IC 的失效体现简直便是破坏性的，或许IC现已被烧得乌烟瘴气，即便求助IC原厂剖析，往往也纷歧定能找出失效的根本原因，呈现这种状况，作为工程师的你估量头皮要感觉到阵阵发麻了。

电源 IC 的失效常常是其输入端遭到电气过应力（ EOS）的成果。在许多状况下，器材失效的原因都是输入电压太高了。本文对电源 IC 输入端 ESD 维护单元的结构进行了解说，阐明晰它们在遭到 EOS 进犯时是怎么受损的。构成 EOS 进犯事情的原因常常是热刺进和导线或途径电感与低 ESR 陶瓷电容结合在一同构成的瞬态效应。在电路规划中选用一些特别的规划可以防止 EOS 的产生，防备它们
或许带来的损害。本文也将对 Buck 转换器输入端的结构进行介绍，给出过高的输入电压构成器材损坏的机制，经过不同的运用事例阐明过高的输入电压是怎么产生的，还将供给相应的问题处理方案。

Buck 转换器输入端的结构

下图显现了一个Buck转换器 IC 内部的根本构成，其间包含了几个静电开释（ ESD）防护单元。

上图中，电源输入端 VIN 被一个很大的 ESD 单元维护着，其维护规模包含内部稳压器和 MOSFET， 因而可以接受很高的静电电压。 SW 端子内部一般没有 ESD 单元，因为大型 MOSFET 自身就可以像 ESD 维护单元相同动作，静电电流可经其内部体二极管流向 GND 或 VIN 端，也可使用它们的击穿特性完成维护。 BOOT 端有一个 ESD 单元处于它和 SW 之间，其它小信号端子也各有一个小型的 ESD 单元，它们一般都和输入串联电阻一同维护这些小信号端子免受静电放电的损害。

ESD 和 EOS 的差异

当超越 ESD 单元钳位电压的过电压呈现在 IC 端子上时， IC 会不会损坏就取决于 ESD 元件被击穿期间经过它的能量的多少。
ESD（ Electro Static Discharge, 静电开释）和 EOS（ Electrical Over Stress, 电气过应力）都是与电压过应力有关的概念，但它们之间的差异也很清晰：

ESD 的电压很高（ > 500V），持续时间相对较短（ < 1µs）

EOS 的电压相对较低（ < 100V），持续时间更长一些（一般 > 1µs）

当持续时间更长的 EOS 事情产生时，冲击 ESD 维护单元的能量就会更多，常常超出 ESD 维护单元的最大冲击能量接受才能，这样就会在 ESD 维护单元中堆集太多的热量，终究导致严峻的毁灭性成果。一般状况下，芯片中支撑ESD 维护单元的其他部分也会连带着一同受损。

电源热刺进导致的输入端过应力

一种构成电源 IC 输入端遭到 EOS 冲击的常见原因是电源的热刺进事情，这种事情产生在处于开机状况的电源被引进一个体系的时分。这种体系的输入端一般含有低 ESR 的陶瓷输入电容，它们与电源引线的电感一同产生谐振，可以导致高压振动信号的呈现。下图显现的便是这样的场景，其间的电源是开着的，有两根引线将电源接入运用体系，其间的开关 S 用于模仿热刺进的行为。

呈现在体系输入端的电压振动信号的起伏与许多要素有关：电源供应器的内阻，引线的电阻和电感量，开关 S 的电阻，输入电容 C1、 C2 的电容量和它们的 ESR 的巨细。
作为一个比如，咱们假定 12V 电源供应器具有很大的输出电容，电源引线的长度为 1.2m 并且具有很低的电阻，开关S 的阻抗也是很低的， C1、 C2 是 10µF/25V X5R 1206 的 MLCC。电源引线的总电感大约为 1.5µH，包含连接器在内其电阻约为 10mΩ。两只电容在 12V 直流偏置下的实践总容量约
为 9µF，并且它们各自的 ESR 约为 5mΩ。
下图显现了热刺进事情产生在这样的输入电路时的振动进程的模仿成果。

从模仿成果可以看到，这样的热刺进进程导致的输入电流高达大约 30A，由引线电感和输入电容导致的电压振动波形的峰值简直可以到达直流输入电压的 2 倍。
下图显现的是对相同的电路进行热刺进测验的景象，其间的开关 S 被换成了 MOSFET，该 MOSFET 是用脉冲产生器驱动的，意图是让热刺进的动作变成是安稳的，一同也是可以重复的。

从上图可以看到，实践的热刺进事情导致了比理论上更高的振动电压峰值，这是因为 MLCC 输入电容在直流偏置电压下的电容量的非线性改变导致的，它的这种特性在图中的右侧显现出来。当电容上的电压升高时，它的电容量会下降，对其充电的电流进入更小的电容后就会得到更高的电压。在此事例中， 12V 电源的热刺进事情能导致大约 30V 的最高电压峰值。

消除热刺进期间电压尖峰的办法

上面现已解说过热刺进期间电压尖峰产生的原因，下图 将与输入电路有关的参数表达了出来：电源供应器的内阻Ri，电源传输线的电感 Lwire 和电阻 Rwire，具有低 ESR 的输入电容。

有多种办法可以降低热刺进期间的电压振铃信号的起伏：

办法 1： 大多数电源供应器是运用了很大的输出电容的开关形式电源适配器，这种电路的输出阻抗很低，遇到热刺进事情时可以快速生成大电流。如下图那样添加一个共模电感和一只 ESR 比较高的小型电解电容，适配器的输出阻抗就会添加，谐振进程会遭到按捺。

办法 2： 运用较小线径的适配器电缆来添加电缆的阻抗。为了达到好的谐振按捺作用，电缆的阻抗应该大于 0.3Ω，其害处是电缆上的压降会添加。
办法 3： 添加电缆两条线间的耦合程度。两线间更好的耦合可以构成相反的磁场，这对谐振的按捺有协助。如下图显现了对 75cm 长、标准为 18AWG 的同轴电缆的模仿，依据漏感测验的成果，两线间的耦合度大约为 0.8。

经过运用不同类型的电缆进行丈量，可以承认耦合杰出的线对谐振进程会有更好的按捺作用，相应的热刺进进程所导致的电压尖峰也更低。
办法 4： 由 LC 电路构成的谐振可以经过给输入电容并联一个 RC 电路进行按捺， RC 电路的参数可用下述办法进行核算，RS 的核算公式如下图：其间 LP是电缆的电感量， CIN是体系的输入电容， ξ 是期望的按捺系数。在前述的热刺进事例中， LP 大约是 1.5µH， CIN 在 12V 时为 9µF。当咱们挑选杰出的按捺作用(ξ = 1)时， RS = 0.2Ω。按捺电容 CS 的值有必要足够大以防止它在热刺进构成的电流脉冲呈现期间被过度充电，其电压增量 VC = IC * 1/ωC，其间的 ω 是 LP 和 CIN 的谐振频率（丈量数据大约是 40kHz）。因为电流脉冲的起伏是 35A，要想使充电构成的电压增量小于 2V，咱们需求电容的值大于 70µF。

在参加 100µF 和 0.2Ω 的 RC 电路后，针对上述的热刺进事例再次进行仿真模仿，咱们可以看到谐振被彻底按捺住了，电压的过冲低于 2V，拜见下图所示。

在实践运用中，RC 按捺电路可以很简略地经过运用一只 100µF/25V 的电解电容完成，它需求和陶瓷输入电容并联在一同。之所以这么简略，是因为大多数 100µF 的电解电容在 100kHz 频率下有大约 0.2Ω 的 ESR。鄙人图中的右侧电路就在输入端参加了 100µF/25V 电解电容，热刺进实验标明其输入端的过冲会被彻底按捺掉，不会有损毁危险再呈现在 IC 上。

其他构成电源 IC 输入端 EOS 的原因

除了热刺进构成的冲击以外，还有其他一些状况或许构成电源 IC 输入端遭到 EOS 的进犯：
a. USB 输出端短路测验构成 USB 开关输入端损毁
下图显现的是一个典型的 USB 开关的运用电路图，有一个 1µF 的去耦电容放在接近 IC 输入端的当地，电容前面有大约 10cm 的铜箔途径将它和 5V 主电源连接起来。

USB 端口都需求进行短路测验， 这个测验经过一个开关来模仿， IC 需求在侦测到短路今后快速将其 MOSFET 开关关断。从上图中的实例可以看到， MOSFET 开关关断的动作是有延时的，因而会有一个短时大电流流过 IC 之后关断才会产生。因为输入线有电感存在，此电感和输入端去耦电容 C2 会一同产生谐振，因而可在示波器上看见输入端呈现了高压脉冲，这很或许超越 IC 的最高耐压才能并将其损毁。
为了处理这样的可靠性危险，用于热刺进危险防备的相似办法可以被归入考虑规模，因而咱们要在电路中参加相似电解电容的 RC 按捺电路。按捺电路的参数核算办法是相似的，咱们可以使用开关关断进程的 dI/dt 核算电容的值。实践上，一个 47µF 的电解电容就可以将电压峰值控制在大约 6V 上，如下图 所示。

b. Buck 转换器的反向偏置问题
作业在强制 PWM 形式下的 Buck 转换器在经由输出端反向偏置时会体现出 Boost 转换器的行为。
假设转换器的输出端由高于预设输出电压的外部电源供电时， IC 内部的下桥 MOSFET 会从输出端吸入电流，再与上桥 MOSFET 一同构成一个Boost 转换器。如下图所示，该电路的输出端就由一个缓慢上升的 5V 电源供电，它的输入端电压将上升并终究将其 ESD 单元击穿。

像这种电源反向偏置的状况并不常常产生，但在存在电池的体系中就很简略呈现。又假设在某些规划中运用了动态电压调理技能（经过反应网络对输出电压进行调理），假如输出电容很大，又刚好遇到了输出电压的设定忽然变低，Boost 的动作就会产生了。

总结

电源 IC 的损坏常常是因为输入电压过应力构成的，这在电源热刺进导致呈现过高电压尖峰或由线路电感和低 ESR 陶瓷电容构成谐振时就会产生。
当电源 IC 输入端的 ESD 单元遇到超越其能量承当水平的冲击能量时就会被损坏。构成 IC 损坏的 EOS 能量一般要比正常的人体形式（ HBM） ESD 能量高好几倍。当 ESD 单元被损坏的时分，作为其承载体的硅晶圆也会遭到损伤。在大多数状况下，承载体的损坏会直接导致功率级的不正常运作，引起直通短路、功率级焚毁等问题。
具有折返特性的 ESD 单元在被触发今后或许保持在低于作业电压的电压上，这会在被触发之后当即导致大电流的呈现。
因为热刺进事情和电源线上的谐振效应都会将电压尖峰引进 IC 输入端，因而在电源规划进程中有必要对这样的瞬态进程进行检查，保证在任何状况下都不会在 IC 输入端构成高电压。因为 ESD 单元的激活电压总是高于器材的肯定最大额定值，运用中可以呈现的电压就不能超越 IC 的肯定最大额定值，以便保证 ESD 单元在作业进程中不会被激活。