變頻空調(diào)開關(guān)電源電路開關(guān)芯片炸失效分析與研究
摘要:變頻空調(diào)控制系統(tǒng)用控制器在實(shí)際應(yīng)用一段時(shí)間后出現(xiàn)主板失效問題,經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及實(shí)際主板失效分析確定是開關(guān)電源電路中的開關(guān)芯片炸失效導(dǎo)致,該問題一直是困擾著空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)難題,問題長期存在沒有得到有效解決方案,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文從器件可靠性、應(yīng)用開關(guān)電源電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等方面進(jìn)行全面驗(yàn)證分析,最終將開關(guān)芯片炸失效原因找到,并采取有效方案解決。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201603/287497.htm引言
變頻空調(diào)是時(shí)代發(fā)展趨勢,已經(jīng)逐步普及走進(jìn)千家萬戶,空調(diào)除了具有基本的制冷、制熱作用外,其功能日益多樣化。要求也提高:節(jié)能、環(huán)保、舒適、低分貝、用戶觸控體驗(yàn)效果。實(shí)現(xiàn)這些功能離不開高可靠性的控制器系統(tǒng),其中開關(guān)電源供電系統(tǒng)在控制器中承擔(dān)關(guān)鍵作用,為各電路正常工作提供電源,使各單元電路按照整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制目標(biāo)完成相應(yīng)的控制、檢測、保護(hù)等,完成空調(diào)各種功能如制冷、制熱、掃風(fēng)、顯示等的目的,以實(shí)現(xiàn)空調(diào)舒適、完美體驗(yàn)。
作為空調(diào)中控制器中的重要電路,開關(guān)電源部分一旦發(fā)生故障,將導(dǎo)致空調(diào)整體功能失效,而且維修需要全機(jī)導(dǎo)通檢測,維修麻煩、難度高,維修成本高,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致控制器爆板,空調(diào)整機(jī)燒毀,造成嚴(yán)重的安全事故。因此研究開關(guān)電源電路、開關(guān)芯片炸失效模式、失效機(jī)理非常重要,采取有效方案解決全面提升開關(guān)電源電路整體工作的可靠性,從而降低其售后故障率,減少控制器維修成本,提高消費(fèi)者對(duì)品牌的滿意度具有十分重要的意義。
經(jīng)對(duì)開關(guān)芯片失效模式、失效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)我司三款開關(guān)芯片售后均有失效。開關(guān)電源電路芯片炸等失效一直也是空調(diào)甚至整個(gè)行業(yè)長期存在難題,均未有有效的解決方案,經(jīng)過大量對(duì)器件核心參數(shù)、整機(jī)開關(guān)電源電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析測試開關(guān)波形發(fā)現(xiàn)為變壓器在高溫高濕條件下,離散的發(fā)生了磁飽和導(dǎo)致開關(guān)芯片炸,最終采取有效方案解決問題。該方案對(duì)空調(diào)等行業(yè)在開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)開發(fā)思路借鑒與參考。
1 事件背景
變頻空調(diào)控制系統(tǒng)用控制器在實(shí)際應(yīng)用一段時(shí)間后出現(xiàn)主板失效問題,經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及實(shí)際主板失效分析確定是開關(guān)電源電路中的開關(guān)芯片炸失效導(dǎo)致,經(jīng)過多年的跟蹤空調(diào)實(shí)際應(yīng)用維修數(shù)據(jù),因開關(guān)芯片炸失效導(dǎo)致售后投訴單數(shù)達(dá)268單,占整個(gè)控制器售后故障率15.9%,控制器售后大比例失效嚴(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實(shí)際體驗(yàn)效果。問題急需進(jìn)行分析研究解決。
2 芯片失效原因及失效機(jī)理分析
2.1 開關(guān)芯片失效檢測分析
將安森美、三肯開關(guān)芯片炸主板多次寄給對(duì)應(yīng)廠家分析,及各廠家現(xiàn)場來司協(xié)助分析,一致認(rèn)為開關(guān)芯片炸主要還是漏極過電沖擊損傷導(dǎo)致?lián)舸┦В切酒旧碣|(zhì)量問題還是電路設(shè)計(jì)問題,經(jīng)過分析不排除芯片本身質(zhì)量、開關(guān)電源磁飽和、高頻變壓器器件異常、主板使用工作環(huán)境等因素導(dǎo)致。
開關(guān)芯片失效開封圖片如下圖1。
2.2 各廠家開關(guān)芯片極限參數(shù)測試
售后開關(guān)電源電路中開關(guān)芯片炸失效,經(jīng)過對(duì)器件失效分析為過電擊穿失效,售后應(yīng)用出現(xiàn)大概率失效不可能全部是用戶電源出現(xiàn)異常,是否是芯片抗極限耐壓及浪涌沖擊能力較差。三個(gè)廠家開關(guān)芯片在售后均出現(xiàn)失效(使用開關(guān)芯片信息如表1),其中安森美開關(guān)芯片失效最多,是否是各廠家芯片極限耐壓整體偏低,存在差異性。帶著這些疑問對(duì)各廠家使用開關(guān)芯片進(jìn)行極限參數(shù)杜比分析,通過對(duì)售后失效器件對(duì)應(yīng)開關(guān)芯片進(jìn)行核心參數(shù)分析及相關(guān)數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明,ON、三肯、科匯廠家開關(guān)芯片極限耐壓均可以達(dá)到700V,其中三肯開關(guān)芯片極限耐壓最高達(dá)820V,平均在760V??茀R開關(guān)芯片相對(duì)較差(極限耐壓對(duì)比測試數(shù)據(jù)如下表2)。
通過器件單體核心參數(shù)檢測對(duì)比,器件方面差異沒有較大明顯區(qū)別。售后突出失效與開關(guān)芯片可能沒有直接關(guān)系。
2.3 磁飽和分析
開關(guān)芯片炸失效經(jīng)過對(duì)器件相關(guān)參數(shù),可靠性對(duì)比分析,可能不是開關(guān)芯片本身問題,開關(guān)電源設(shè)計(jì)考慮是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),非單個(gè)器件。出現(xiàn)開關(guān)芯片炸失效是否是電路設(shè)計(jì)存在問題,是否是出現(xiàn)磁飽和。
我們知道開關(guān)電源磁飽和與電路中相關(guān)器件配合等有直接關(guān)系,開關(guān)芯片、高頻變壓器、輸入電源、應(yīng)用環(huán)境等都是影響開關(guān)電源可靠性關(guān)鍵問題。開關(guān)芯片失效是否與磁飽和有關(guān),如果是是哪些因素影響導(dǎo)致 ,針對(duì)產(chǎn)生眾多個(gè)疑問開關(guān)全面分析驗(yàn)證。
2.3.1 常態(tài)環(huán)境
常態(tài)環(huán)境電路與高頻變壓器(12年底整改后制品)搭配后,測試Vds漏極電流最高峰值約800mA, 未發(fā)現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象.即未出現(xiàn)過流,Vds多次驗(yàn)證未出現(xiàn)超過600V及以上電壓,即未出現(xiàn)過壓。(測試波形圖片如下圖2)
常態(tài)環(huán)境:通過將售后多單故障件交給廠家分析及來司現(xiàn)場分析,常態(tài)條件下對(duì)開關(guān)芯片漏極電流波形檢測沒有發(fā)現(xiàn)存在磁飽和異常,但是從檢測波形看,電流峰值逐漸接近磁飽和,特別是安森美廠家開關(guān)芯片對(duì)應(yīng)電路。
2.3.2 高溫高濕環(huán)境
高頻變壓器使用磁性材料為鐵氧體,由于磁材特性當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到一定溫度后磁性有衰退現(xiàn)象,會(huì)出現(xiàn)退磁,可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)磁飽和異常,導(dǎo)致開關(guān)芯片炸失效,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)售后失效控制器多為8、9月份,當(dāng)時(shí)空調(diào)運(yùn)行環(huán)境溫度比較高,這個(gè)可能是個(gè)因素。
磁材磁性一致性不好,或是高頻變壓器預(yù)留抗飽和度余量低,在高溫下提前出現(xiàn)退磁,也是會(huì)影響開關(guān)芯片正常工作??照{(diào)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)開關(guān)芯片炸失效具體是什么原因失效,是受溫度、濕度影響還是綜合影響導(dǎo)致結(jié)果,針對(duì)問題展開全面驗(yàn)證分析,測試開關(guān)芯片漏極電流波形如下圖3、4。
高溫高濕環(huán)境:控制器整機(jī)高溫高濕環(huán)境下,開機(jī)后開關(guān)芯片工作瞬間檢測開關(guān)芯片漏極電流波形出現(xiàn)低概率的磁飽和現(xiàn)象,經(jīng)過測試開關(guān)波形發(fā)現(xiàn)為變壓器在高溫高濕條件下,離散的發(fā)生了磁飽和導(dǎo)致開關(guān)芯片炸。
2.3.3 分析總結(jié)
磁飽和異常與廠家多次交流分析討論,逐一排查磁性材料、電感線圈繞線工藝等異常將問題鎖定在開關(guān)電源電路抗磁飽和設(shè)計(jì)余量上,最終確定整改方案:調(diào)整高頻變壓器初次級(jí)匝數(shù),通過增加線圈匝數(shù)降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強(qiáng)度,進(jìn)而解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和異常問題。
3 開關(guān)芯片失效整改措施
3.1 開關(guān)芯片失效解決方案
解決方法:調(diào)整高頻變壓器初次級(jí)匝數(shù)(具體調(diào)整線圈匝數(shù)如下圖5、6),通過增加線圈匝數(shù),降低了Bsat值提高高頻變壓器抗磁飽和強(qiáng)度,進(jìn)而解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和異常。整改內(nèi)容具體方案調(diào)整:43110329------4311032901/2/3
4 整改效果評(píng)估及應(yīng)用效果驗(yàn)證
新制品經(jīng)過整機(jī)驗(yàn)證測試抗磁飽和強(qiáng)度大幅度提升,經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證顯示即使再次出現(xiàn)售后惡劣使用環(huán)境,也不會(huì)出現(xiàn)磁飽和異常,電路設(shè)計(jì)整改后實(shí)際試驗(yàn)測試驗(yàn)證抗磁飽和強(qiáng)度提升40%,有效解決問題。長期跟蹤過程及售后失效率為零,實(shí)際整改效果顯著。整改后高溫高濕環(huán)境芯片漏極電流波形檢測如下圖7。
5 開關(guān)芯片失效整改總結(jié)及意義
本次售后大批出現(xiàn)開關(guān)芯片失效屬于開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)缺陷,在電路設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)未能有效考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路非常規(guī)條件下磁飽和問題導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)重大質(zhì)量問題,本次整改從整體提升開關(guān)電源設(shè)計(jì)可靠性角度出發(fā)具體為調(diào)整高頻變壓器初次級(jí)匝數(shù),通過增加線圈匝數(shù),降低了Bsat值有效提高高頻變壓器抗磁飽和強(qiáng)度,進(jìn)而有效解決高頻變壓器產(chǎn)生磁飽和問題。
參考文獻(xiàn)
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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第40頁,歡迎您寫論文時(shí)引用,并注明出處。
評(píng)論