TVS管失效原因分析

TVS管失效原因分析郭远东;李雪玲【摘要】TVS管是一种常见的浪涌抑制器件，但如果使用不当容易损坏。本文从 大量的调查研究中，选取几个典型的TVS管失效案例，详细分析失效原因，并将 这些原因进行总结，提出有效的整改办法。%TVS is a common surge protection device but easily be damaged if improperly used. In this paper, based on a lot of researches, we select several typical TVS failure cases, and do detailed analysis on failure cause, and summarize these reasons, and put forward effective corrective measures.期刊名称】 环境技术年(卷),期】 2013(000)004【总页数】4页(P21-24)【关键词】浪涌(冲击);浪涌抑制元件；TVS管;失效模式;脉冲功率;钳位【作 者】 郭远东;李雪玲【作者单位】 赛宝质量安全检测中心，广州 510610;赛宝质量安全检测中心，广 州 510610【正文语种】 中文【中图分类】 TN609前言TVS 管是一种常见的浪涌抑制元件，它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、 击穿电压偏差小，及钳位电压容易控制等多个优点。TVS管进行浪涌抑制的原理 是：当它受到反向高能量冲击时，它能以极快的速度（可达10-12 s级），将其 两极间的阻抗由高变低，使两极间的电压钳位于可接受的范围，从而有效的保护电 子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。目前TVS管已广泛应用于家用电器、电 子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。但是在实际应用中，许多企业反映：产品中使用的TVS管未能起到应有的保护作 用，并且在使用中TVS管比较容易损坏。为了正确的定位故障，排查原因，从而 进行故障分析，我们进行了大量的调查。本文选取了一些有代表性的案例，试图揭 示TVS管失效的根本原因。1案例1 :选型缺陷导致TVS失效1.1 案例背景某汽车仪表电子组件的外观图，如图1所示。 该电子组件通过汽车蓄电池供电。当一些特殊的操作发生时，例如当发动机运转时， 有意断开与蓄电池的连接，或者由于汽车内的电缆腐蚀、接触不良等原因，都会导 致蓄电池的供电回路中出现抛负载现象。这种现象会对汽车内部的各种电子产品， 带来大能量的浪涌冲击。图1中的电子组件正是被这种冲击电流打坏的。图1某汽车仪表电子组件案例中的汽车仪表厂家反映，TVS管损坏的现象经常发生，并且导致使用中的大 批量产品出现故障。由于研发人员一直找不到故障的根本原因，所以企业目前对于 这种故障是疲于应付：只能不停更换损坏的TVS管。如果不安装TVS管，浪涌电 流将会直接侵入产品内部，造成更大的损失。图2圆圈中显示的，是损坏的TVS 管。将该TVS管放大观察，可见明显的烧毁痕迹与裂纹。如图3、图4所示。1.2 故障原因分析 该汽车仪表电子组件电源部分的原理图，如图 5。在图5中，用箭头标明浪涌电流的行进方向。位号为TVS1的TVS管，与被保护 的电路是并联关系。结合TVS管的参数选择和浪涌防护电路的设计原理，该案例 的故障原因分析如下：1）通常情况下，TVS管所能承受的最大冲击电流不超过100A。所以在大的浪涌冲 击电流的场合，单纯使用 TVS 管进行防护，是远远不够的。这在很多情况下是 TVS 损坏的根本原因。在理论上，一个完整的浪涌防护方案，应该采用三级防护。TVS管的特点，决定 了它适用于第二级或第三级防护。在TVS管前级，通常会使用气体放电管、压敏 电阻等防护器件。该案例在浪涌防护电路的设计上显得不够合理，这是导致故障产 生的主要原因之一。2）该TVS管的型号为CD214B-24V。查阅该型号TVS的资料，发现其动作电压为 24VDC，可承受的最大脉冲功率为600W。我们对该汽车仪表电子组件所承受的 浪涌冲击能量进行了估算，发现当抛负载现象发生时，浪涌冲击的最大功率可达 1000W以上。此外，在一般情况下，TVS的最大峰值脉冲功率是以10/1000ps 的非重复脉冲给出的。但在实际中，产品遭受的冲击脉冲往往不是标准形式的波形， 并且脉冲也会重复出现。另外，考虑到TVS管是半导体器件，当外界环境因素发 生变化时，不可避免的会对TVS管的性能参数产生影响。所以，要求设计人员在 器件选型时，适当扩大所选择的最大脉冲功率值。显然，该案例中的TVS管，在 参数选择上存在问题。2案例2 :前级压敏电阻选型不当，导致TVS管失效2.1 案例背景图2损坏的TVS管图3 TVS正面图4 TVS侧面图5 汽车仪表电子组件的电源部分原理图图6 TVS管外观图某单板电路中,TVS管（图6）和压敏电阻RV1 同使用，作为-48V电源输入端 的过压保护器件。单板电路为后级BTS电路提供12V直流输出。从工程返修数 据来看，多次发生TVS管和保险管同时失效的情况。2.2 故障原因分析单板-48V电源输入端过压保护电路，如图7所示。图 7 中的箭头标明了浪涌电流的流向。圆圈标记的为损坏的 TVS 管，位号为 VD1， 型号为1.5KE68A。从图7中可以看出，该电路采用二级防护，巧妙的利用L1做电路延时，达到防护 器件分级启动的目的。当浪涌来临时，电感L1会使浪涌波头产生延迟。利用这个 延迟，可以保证TVS先启动，把电压精确钳位到合理范围，而不至于损坏后续电 路。因为压敏电阻的响应时间较 TVS 长，它这时才启动，将大能量脉冲泄放到地。 在正常情况下，这样个两级相互配合的电路，能够起到很好的保护效果。根据该案例中器件的失效分析结论：TVS管是由于瞬间高电压脉冲，造成芯片拐 角处发生过压击穿，并且局部承受巨大的浪涌能量而过功率烧毁，导致器件失效。 另外，从使用方的工程返修数据来看，多次发生 TVS 管和保险管同时失效的情况， 保险管为熔断失效模式，TVS为短路失效模式，而压敏电阻则未见失效。在正常 情况下，当如图7所示的两级保护电路正常启动时，要求压敏电阻的压敏电压和 TVS管的钳位电压保持一致。如果压敏电阻的压敏电压高于TVS管的钳位电压， 那么压敏电阻将不会可靠启动，第级保护电路形同虚设。由此可见，该单板在压敏电阻的选型上存在缺陷，表现为当TVS启动后将电压钳 位，压敏电阻无法可靠启动，导致 TVS 管出现过流过功率烧毁引起短路失效。在 多种元器件构成的浪涌保护电路中，应该考虑不同器件的特点，以及器件参数对电 路的影响。在此案例中，设计者想到了采用多级浪涌保护电路，意图提高电路的抗 浪涌能力。但是由于在压敏电阻的选型上存在缺陷，使得压敏电阻没有起到相应的 保护作用，导致电路中的 TVS 管失效。另外，对于直流输入端口的防护电路设计，需要选择双极性的 TVS 管，这样才能 够有效的抑制正、负脉冲的冲击。但是在图 7 的电路图中，设计者使用的是单极 性的TVS管，这显然是不合适的。3 案例 3：由于芯片内部存在机械损伤导致 TVS 失效3.1 案例背景在该案例中，TVS管使用在AC-DC电源上。电源模块在高压变频器现场运行期间 发生故障。失效现象为TVS管的引脚处出现碳化现象，TVS管表现为短路模式失 效。经过分析，TVS管的失效是由于内部芯片侧面存在破损，导致芯片局部漏电 增大，而过热烧毁所致。TVS管型号为1.5KE200A，TVS管外观图片如图8和图 9 所示。图7单板-48V电源口过压保护电路图8样品外观典型形貌1图 9 样品外观典型形貌 2图10内部芯片击穿点SEM形貌3.2 案例的故障原因分析在该案例中， TVS 管芯片侧面和台面结均存在破损，破损呈明显地机械损伤特征， 同时烧毁点都位于破损处（图10）。由于该案例中的TVS管为轴向塑料封装，安 装形式为插装形式，因此，导致芯片破损的原因主要有两个：1）芯片在封装过程中受到机械损伤。这对于使用方来说无法避免，只能通过加强来 料检验进行器件筛选，防止存在缺陷的TVS管进入生产组装流程；或者在事后进 行可靠性试验和环境试验将故障提前暴露，将存在缺陷的TVS管剔除；2）TVS管在成型或者进行整机组装时，受到了超过其所能承受的机械应力或者热应 力，导致内部芯片受到机械损伤。为避免由该原因导致的损伤，可以改变成型工艺、 安装方式，或者TVS管的安装位置。由此案例可以看出，在整机组装过程中，TVS管所受的机械应力和热应力，对器 件本身的可靠性存在较大的影响。对于轴向安装的TVS管来说，弯曲成型和插装 过程受到的机械应力，是导致TVS管受到损伤的主要原因。而对于表面贴装的 TVS管来说，虽然不存在成型的机械应力，但是由于其结构原因，应该考虑焊接 过程中的热应力可能产生的影响。此外，由于PCB板存在变形，所以在设计时应 该留下足够的余量。4 小结总结上述的三个典型案例，导致TVS管失效主要有以下几个原因：1）最大脉冲功率的裕量不够，导致的TVS管过功率烧毁。2）在多级浪涌保护电路中，其他的浪涌抑制器件存在选型缺陷，使得TVS承受了 大能量的浪涌冲击，导致过压或者过功率烧毁。3）TVS管在安装过程中受到损伤，或者TVS管的制造工艺导致其存在缺陷，造成 TVS管的可靠性降低，使用时容易损坏失效。参考文献1 GB/T 17626.5-2008,浪涌（冲击）抗扰度试验S.2 郑军奇电子产品设计EMC风险评估M.北京：电子工业出版社，2008.3 周志敏，周纪海等电子电气系统防雷接地实用设计M.北京：电子工业出版社，2005.4周志敏浪涌电压抑制器及应用几电源技术应用：2001.11.