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高耐压和条件触发对OVP意味着什么—SGM40666
2020-02-19

便携式电子产品极大普及,伴随而来的是消费者对产品使用体验要求不断提高。为此各大厂商也都不遗余力地提升产品品质和品牌影响力,品牌概念越来越深入人心。品牌,意味着厂商需要提供给市场优质耐用、体验性能好的高性价比产品;口碑,也意味着对市场返修率的苛刻要求。在返修案例中与充电接口直连的器件损坏占据了相当高的比例,矛头直指“浪涌”。因此具有浪涌抑制能力的过压保护器相继问世并被大量使用,浪涌吸收规格从80V标准脉冲逐步上升提高到了200V标准脉冲;配合瞬变抑制二极管实现了300V甚至400V浪涌抑制。

“标配”过压保护器件后,充电接口器件损坏比例明确得到了改善。然而,使用场景中不可能在低压电源线对之间产生200V浪涌,但20V以上的空载电压倒是比较常见。到底是电压浪涌、还是高空载电压导致了损坏呢?为什么损坏案例中往往过压保护器和瞬变抑制二极管同时损坏?SGM40666系列过压保护器,以40V高耐压(限流50mA时,40V可持续10s以上)和有条件放电触发为最大特点,会提供更有效、合理的保护吗?


关于SGM40666系列产品

SGM40666系列(SGM40663 ~ SGM40668)设计用于便携式电子产品充电接口,保护后端低耐压充电IC或其它连接的电路元件。该器件集成了导通电阻仅29mΩ的通道开关和瞬变抑制泄放开关,浪涌泄放能力达+110V / -400V。过压保护阈值可选,或利用外围电阻设置。

其内部电路侦测输入电压值和变化速度,发现疑似浪涌的电压变化时迅速启动泄放、阻止高压浪涌击穿损伤被保护的后续电路。如果只是出现了电压过高,它只断开输入与输出的连接开关、阻止高压传递到后续电路。输入电压继续升高触发钳位、对输入放电,拉低空载电压避免击穿。


特性

  • 2.5V ~ 28V连续工作电压

  • 40V或50mA输入钳位(10s)

  • 29mΩ导通阻抗(典型值)

  • 预置过压保护点(其他电压点将陆续开放)

    6.82V(SGM40666)

    6.35V(SGM40667)

  • 4V ~ 22V过压保护阈值调节范围

  • +110V / -400V浪涌抑制能力

  • 50ns过压保护关断响应

  • 15ms启动防反跳时间

  • 可受控开关

  • 支持OTG模式反向输出

  • 有电源正常标志输出

  • 内置软启动/欠压保护/短路保护/过热断路保护

  • -40℃ ~ +85℃工作温度范围

  • 环保合规GREENTM WLCSP-12B封装


封装.JPG

WLCSP-1.17×1.63-12B

   


典型应用电路

典型应用电路.JPG


国标/国际标准通用浪涌测试波形

1.    开路电压波形(1.2μs / 50μs)

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2.    短路电流波形(8μs / 20μs)

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错接、电网零线开路和缺相是导致高空载电压原因

只有利用专用设备并且利用专门的隔离单元才能在低压直流电源的输出对线之间制造较高的差分浪涌。从电视、机顶盒到手机的市场实践记录到的空载电压异常失供电系统的设计规范明确相关;手机、手环和手表一类小装置记录到错接不同电压源导致的损伤。

错接.JPG

如上图所示,在没有零线补偿变压器的配电系统中重载相拉偏零线,导致轻载相电压升高;更严重的情况发生在户端零线与配电变压器零线开路或者户端零线接地不良时,不同相上的电器负载通过本地零线串联在两个相之间,较轻负载的电器工作在较高分压上。这时:

Y电容耦合电压升高,负载可见Y电容耦合来的交流电负半波。

Y电容浅击穿导致耦合电压升高。

电源适配器中的变压器饱和出现高毛刺电压,干扰PSR(一次侧稳压控制)型稳压电源的输出电压侦测机制,导致二次侧出现异常空载高压。


过压保护和瞬变抑制二极管的适用场景

过压保护指电压过高时利用通道开关断开接入路径、阻断高压接入。

瞬变抑制指出现浪涌性质的短暂高压大电流时进行泄放吸收,包括稳压二极管和可控硅开关两个泄放模式。在稳压管模式,当电压升高到一定值(击穿电压)开始出现导通放电;一般规定在额定放电电流下电压上升到一定限值(残余电压)。在可控硅模式,电压上升到一定值(触发电压)迅速接通放电,电压降低到一定值(恢复电压)时断开放电通道。可控硅模式的瞬变抑制器没有高出触发电压很多的残留电压,但二极管结构的抑制器恢复电压太低以至于在对电源保护的场合无法恢复断开而被烧毁。因此配合电源使用的瞬变抑制二极管均为稳压管模式。

过压保护电路内置的浪涌吸收均为可控硅模式,但其控制电路可以把恢复电压设计为高于其工作电压。

无论是过压保护电路的内置浪涌吸收电路还是稳压管型瞬变抑制二极管,在施加超过其恢复电压或击穿电压的稳定电压时都会因持续承受较高电压和流过大电流而被烧毁。

SGM40666系列采用了全新的保护设计,它只在出现疑似浪涌时以可控硅模式放电;不符合条件的输入过压以稳压管模式放电。其稳压电压高于其最高工作电压,并且在稳压模式下可以承受40V或50mA的短时间输入过载。 


采用高功率瞬变抑制和高吸收电压OVP后返修率降低

采用更高电压浪涌吸收,例如从80V逐步提高到200V、400V的器件后,明确统计到相关返修数量下降。这并不能说明浪涌是造成失效的机制,反而一定程度上佐证了空载高压的存在。高功率、高吸收电压器件的有效体积更大、能承受的持续功率大,在空载高压下的生存可能也会更大。空载高压不同于电源的稳压输出,可利用放电钳位。


返修机瞬变抑制二极管损伤观察与持续过功率致损一致

引用瞬变抑制二极管的失效报告的对比图像,可见其表现与持续烧灼过功率表现一致、与瞬时高功率导致的崩溅式样不一致。


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左:返修品显微照片 

中:持续烧灼对比显微照片

 右:高瞬时功率损伤崩溅式样


40V空载过压耐受SGM40666系列OVP产品

SGM40666系列产品的40V空载电压耐受能力领先业内同类产品30V左右的规格,可以耐受常见24V以下直流电源的误接。产品设计中不使用TVS,或者使用较小的TVS,相比采用尺寸较大的高压浪涌方案,实施成本有明显的优势。


相关产品信息

型号

过电流能力

抗浪涌能力

耐压能力

默认过压保护阈值

主要应用产品

样品信息

SGM40663

>4.5A

+110V / -400V

40V

(10s / 50mA)

22V

手机/手表

手环/耳机

便携仪表

便携工具

在供

(详情请联系我司各地人员)

SGM40666

6.82V

SGM40667

6.35V