集成电路电浪涌的产生和预防

 器件在使用过程中最常见的失效模式之一就是电浪涌引起的电过载（EOS)损伤或烧毁。下面简聊下集成电路电浪涌的产生和预防。

1. 什么是电浪涌（电过载EOS）

    电源电网的波动，电路状态的变化，外来干扰信号的馈入以及旁邻元器件的失效，都会在电路中产生峰值很高的电流或电压脉冲，称为电浪涌（电过载EOS），电浪涌会使器件瞬间工作在超过最大额定值的状态下。电浪涌的平均功率很小，但瞬时功率很大，足以引起器件失效。有时较低功率的浪涌也会引起器件自激或CMOS电路闩锁效应而导致失效。电浪涌引起的失效占集成电路使用失效的50%以上。

 

2.电浪涌与静电的区别

 静电和电浪涌的区别在于静电是电压高而能量小，而浪涌能量较大，所以静电失效的电路表面看不到失效点，功耗并不超标。而电浪涌损伤往往在开帽镜检时可以看到，往往伴随着功耗的增加。

    异常电应力烧毁一个器件，靠的不是器件感受到多少电压，而是该电应力在器件上产生了多少焦耳的热能。就好比说，一个人站在几十千伏高压输电线下没事，而用手摸220V交流电就有事是一个道理。

    焦耳定律：流过纯阻性负载上产生的热能：

      Q=W=Uit=U²/R×t

    若R=5Ω，U1=1000V（静电），t1=1us(静电)，则静电在半导体上产生的热能为：

     Q1=1000²V/5Ω×1uS=200 毫焦耳

    若R=5Ω，U2=50V（电浪涌），t2=100ms（电浪涌）,则电浪涌在半导体结上产生的热能为：

     Q2=50²V/5Ω×100mS=50 焦耳

3.电路中产生电浪涌的原因

    （a）电容负载接通时产生浪涌电流。开关电路驱动电容负载时，当电路中有电压突变时，由于电容上电压不能突变，就会产生一个为电容充电的瞬间电流。其大小为

 

例如一个稳压器，输出端接一个大电容，输入端没有接电容。在加电的瞬间，就会产生非常大的电流，将稳压器烧毁。

 （b）电感负载关断时产生浪涌电压。当电路由开态向关态转换时，由于电感上的电流不能突变，在电感上就会产生一个阻止电流变化的浪涌电压。其大小为

 

。

 （c）当电路中使用输入或输出变压器时，在输入变压器初级或输出变压器次级开路状态下，会感应很高的电压，导致电路输入级或输出级损伤。 

 （d）电网电压的波动，特别是突然的停电和来电，也会产生很大的浪涌电压和浪涌电流。

 （e）由于接线错误或操作失误，如加电顺序错误导致电路中某些晶体管正向击穿或反相击穿，不但晶体管特性变坏，还会引起浪涌电流。

 （f）数字电路翻转可产生浪涌电流。数字电路的翻转过程往往是部分晶体管由导通转为截止，而另一部分晶体管由截止转为导通。晶体管都有相应的开关时间，即存储电荷的充放电时间，翻转时会出现两部分晶体管同时导通，就在电路中形成了浪涌电流。

 

4.电浪涌的预防

   （a）正确的使用集成电路，包括正确连接、加电顺序、断电顺序、试验程序、操作方法等。认真检查外围电子元器件，防止外围电子元器件失效导致浪涌产生。

   （b）对于产生浪涌电流的电路，原则上串入适当的电感或电阻来加以消除。

   （c）对于产生浪涌电压的电路，原则上并联一个电阻，或一个二极管（电压浪涌发生时二极管应导通）来加以消除。

   （d）设计中按集成电路使用说明书进行电路设计，该使用的元器件一定不要少，如消振电容、电源滤波电容等。

   （e）避免输入变压器初级和输出变压器次级开路，必要时，可并联一个电阻或电容。