三极管和MOS管的异常现象与根本原因分析

1、现象、问题描述：

板在环境试验低温存储后（机框下电，-40°存储24h，恢复到常温25°，在25°条件下保持2h）上电，发现有4块单板未正常启动。监控单板电源，发现所有问题单板的5V电源异常（测试值为2.6V），而3V3、3V3_STBY、5V_STBY等电压输出正常；过了20分钟后（未对问题单板进行插拔），问题单板都恢复正常。

下图中5V异常，Q44没有充分导通。

我们在低温实验之后，一直没有找到规律。在实验室复现的时候，喷上液氮模拟低温，总觉得这个现象，时有时无。很难琢磨。后来郁闷至极，跟同事讨论说：你觉不觉得跟天气有关？天气不好的时候，就容易出现这个现象？

情急之下，用手指抹了一下口水涂抹在三极管封装表面。然后喷上液氮，问题复现了。

一个奇怪的跟天气有关电路：

2、关键过程、根本原因分析：

图1  5V&3V3控制电路

分析过程：

单板故障时，5V_STBY输出正常，而5V输出只有2.6V，分析图1电路的MOS管Q44（15060203）可知，此时该MOS管的Vgs小于导通阀值Vgs(th)（查看器件手册，低温下Vgs(th)大概为2.3V，见图2），处于未完全导通状态。要使5V输出正常，则Q44的G点电压Vg（即VEN_5V_3V3）必须大于7.3V（5V+2.3V）；反之，单板出现故障时，VEN_5V_3V3 <7.3V。

图1，3V3和5V输出的MOS管G点使用同一个信号EN_5V_3V3来控制。单板发生故障时，3V3输出正常，因此Q1的Vgs>2.3V；VEN_5V_3V3>5.6V(3V3+2.3V)。

根据上面的分析可知，由于VEN_5V_3V3处于5.6V~7.3V之间，导致单板5V输出异常，3V输出正常。以下对VEN_5V_3V3输出降低的原因进行分析，图3为分析过程。

图2 MOS管Q44（15060203）Vgs曲线图

图3VEN_5V_3V3输出降低原因分析过程

2.1 排除Q15（15050026）三极管处于放大区

理论分析：

当单板启动时，SLP_S3会输出3V3电平，此时Q14的ib=（3.3-0.7）/2K=1.3mA；按三极管处于放大区时hFE=100计算，ic=100*1.3mA=130mA，已经超过了ic的饱和电流1.2mA（12V/10K），因此，Q15的B点电压应接近于0V，三极管应该处于关闭状态，不可能处于放大区。而根据三极管的温度特性（见图4），温度越低，三极管开启电压阀值越高，更不容易开启。因此，理论分析，此时三极管Q15不是处于放大区。

实测结果：

单板故障复现时，实测Q15的B点电压只有12mV，因此，三极管Q15不可能处于放大区。

图4 三极管Q15（15050026）Ic电流曲线图

2.2 排除三极管Q15的CE漏电流或MOS管Q1、Q44的GS漏电流导致

查看MOS管（15060203）数据手册可知，MOS管的GS漏电流最大只有100nA（见图5）。

图5 MOS管（15060203）GS漏电流

查看三极管Q15（15050026）的CE漏电流最大为100nA（见图6）。

图6 三极管Q15（15060203）CE漏电流

从上可知，三极管Q15的CE漏电流或MOS管Q1、Q44的GS漏电流，最多使VEN_5V_3V3的电压下降3mV（100nA*3*10K），所以也不是故障产生的根因。

2.3 确认漏电流往三极管Q15方向流

单板故障时，R382上有大概0.5mA（5V/10K）的电流流过，流往的方向只有两个：I1或I2方向，如图7所示。通过下面操作来确认漏电流流向。

操作方式如下：

1、用液氮对Q15降温操作，故障复现，VEN_5V_3V3逐渐降低时，检测到的电流I2逐渐增大，而电流I1始终为0。

2、用液氮对Q1、Q44降温操作，多次降温，未发现VEN_5V_3V3输出降低。检测到的I1 、I2电流都为0。

由此可以知道，三极管对低温敏感，造成单板故障。且单板故障时，R382上的电流都是往三极管Q15上流的。

图7 I1 、I2电流检测

2.4 分析三极管Q15产生漏电流的原因

1、怀疑三极管Q15上拉的电压（12V）过高；

2、三极管封装封装杂质；

3、怀疑是三极管本身的特性造成，改用相同封装的MOS管代替。

造成单板故障是三极管Q15在低温下引起，且R382上产生的电流都是流向Q15。因此为排查其他因素的影响，对单板上的电路做如图8处理：断开后级的Q1和Q44（去掉100欧姆电阻）；将Q15B点的直接拉地。

2.4.1排除三极管Q15上拉的电压（12V）过高；

为了验证该问题是否是Q15的C点上拉电压过高引起，因此将上拉电压从12V改为5V，用液氮对Q15进行降温处理。

图8 上拉电压更换为5V

结果：VEN_5V_3V3仍然会出现下降，因此，可以排除三极管Q15上拉的电压过高因素

2.4.2排除三极管封装杂质因素

此前其他产品线出现过MOS管器件内部污染导致漏电流超标的问题，但此类问题属于批次问题。将Q15更换为不同批次和不同厂家的三极管（15050026）进行测试，发现现象依然存在。因此，排查三极管封装杂质因素。

2.4.3怀疑三极管自身特性造成

其他单板类似电路在Q15处用MOS管(相同封装)代替，因此，怀疑是否是三极管自身的特性引起，于是用相同封装的MOS进行代替，并进行液氮降温测试。

图9 将Q15更换为同封装的MOS管

故障仍然存在，VEN_5V_3V3在低温下，从5V开始跌落，最低跌落到2V以下，且保持时间超过15分钟以上。排除三极管自身特性造成。

图10 VEN_5V_3V3 在低温下下降到1.44V

2.4.4确认是SOT23封装的三极管和MOS管在低温下阻抗减小导致

测试故障单板上MOS管Q15的DS阻值，发现只有7K；而单板正常时测试到的DS阻值为41K，因此怀疑是低温导致SOT23封装的MOS管DS阻值、三极管CE的阻抗变小，和上拉的10K电阻产生分压，导致输出VEN_5V_3V3降低。

为验证在低温下SOT23封装的MOS管DS阻抗、三极管CE阻抗会变小，取多个三极管、MOS管器件（SOT23封装，未焊在板上），用液氮进行降温，测试三极管CE、MOS管DS的阻抗。

降温前，测试到的阻抗为无穷大（100M欧以上）；降温后，测试到的阻抗会降低，测试到的最小阻抗只有10K。

因此，可以确认是SOT23封装的三极管和MOS管在低温下阻抗减小，和上拉的10K电阻产生分压，导致输出VEN_5V_3V3降低。

厂家已承认有这种问题，在低温、高湿度的环境下，SOT23封装的三极管和MOS管的阻抗会减小。

3 结论、解决方案及效果：

结论：在低温、高湿度情况下，SOT23这类小封装的三极管（或者MOS管）会呈现低阻抗特征，和上拉的10K电阻产生分压，导致VEN_5V_3V3输出变低。当三极管Q15的CE阻抗降低到小于14K时，由于分压，VEN_5V_3V3输出会小于7V，使5VMOS管的Vgs电压小于MOS管的导通要求，导致5V输出变低。

图13  5V输出变低过程

解决方案：

减小Q15三极管C点的上拉电阻，改为1K。减小封装在低温高湿的情况下，楼电流，影响输出端电压。

改为1K之后，Q15完全导通时电流比较大。要注意电阻的封装、额定功率。

4、经验总结、预防措施和规范建议

SOT23封装的MOS管、三极管在低温+高湿度的条件下，三极管的RCE、MOS管的RDS呈现低阻抗特征，如果选用此类器件来控制开关/使能信号，建议上拉的电阻不要太大，保证输出电压满足后级开启要求，同时需要注意上拉电阻的降额要求。

原文标题：天气不好就会异常的三极管

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审核编辑：汤梓红