TVS管失效原因分析

2013-10-16郭远东李雪玲

环境技术 2013年4期

郭远东，李雪玲

（赛宝质量安全检测中心，广州 510610）

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10-12s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10/1000μs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RV1一同使用，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，这样一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，第一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。