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。

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)

　　[1]胡曉辰.高頻變壓器磁飽和電流測量技術(shù)研究[J].河北科技大學(xué).2013-05-26

　　[2]姬海寧.高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].電子科技大學(xué).2003-01-01

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。