三端穩(wěn)壓器 反向擊穿

三端穩(wěn)壓器

三端穩(wěn)壓器是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說在一定功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。

三端穩(wěn)壓管，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓管，另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓管。

三端穩(wěn)壓器的工作原理

因為固定三端穩(wěn)壓器屬于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，因此它的原理等同于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

其中R1、Rp、R2組成的分壓器是取樣電路，從輸出端取出部分電壓UB2作為取樣電壓加至三極管T2的基極。穩(wěn)壓管Dz以其穩(wěn)定電壓Uz作為基準電壓，加在T2的發(fā)射極上。R3是穩(wěn)壓管的限流電阻。三極管T2組成比較放大電路，它將取樣電壓UB2與基準電壓Uz加以比較和放大，再去控制三極管T1的基極電位。輸入電壓Ui加在三極管T1與負載RL相串聯(lián)的電路上，因此，改變T1集電極間的電壓降UCE1便可調(diào)節(jié)RL兩端的電壓Uo。也就是說，穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo可以通過三極管T1加以調(diào)節(jié)，所以T1稱為調(diào)整管。由于調(diào)整元件是晶體管管，而且在電路中與負載相串聯(lián)，故稱為晶體管串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。電阻R4和T1的基極偏置電阻，也是T2的集電極負載電阻。

當電網(wǎng)電壓降低或負載電阻減小而使輸出端電壓有所下降時，其取樣電壓UB2相應(yīng)減小，T2基極電位下降。但因T2發(fā)射極電位既穩(wěn)壓管的穩(wěn)定Uz保持不變，所以發(fā)射極電壓UBE2減小，導致T2集電極電流減小而集電極電位Uc2升高。由于放大管T2的集電極與調(diào)整管T1的基極接在一起，故T1基極電位升高，導致集電極電流增大而管壓降UCE1減小。因為T1與RL串聯(lián)，所以，輸出電壓Uo基本不變。

同理,當電網(wǎng)電壓或負載發(fā)生變化引起輸出電壓Uo增大時，通過取樣、比較放大、調(diào)整等過程，將使調(diào)整調(diào)整管的管壓降UCE1增加，結(jié)果抑制了輸出端電壓的增大，輸出電壓仍基本保持不變。

調(diào)節(jié)電位器Rp，可對輸出電壓進行微調(diào)。調(diào)整管T1與負載電阻RL組成的是射極輸出電路，所以具有穩(wěn)定輸出電壓的特點。

在串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路的工作過程中，要求調(diào)整管始終處在放大狀態(tài)。通過調(diào)整管的電流等于負載電流，因此必須選用適當?shù)拇蠊β使茏髡{(diào)整管，并按規(guī)定安裝散熱裝置。為了防止短路或長期過載燒壞調(diào)整管，在直流穩(wěn)壓器中一般還設(shè)有短路保護和過載保護等電路。

三端穩(wěn)壓器反向擊穿

三端穩(wěn)壓器反向擊穿，集成穩(wěn)壓器‘應(yīng)用測試過程’中，任意兩個管腳之間嚴格禁止出現(xiàn)瞬態(tài)的‘反偏’狀態(tài)（包括mS級的瞬態(tài)反偏），否則電路有可能在瞬間被反偏擊穿燒毀。

電路有可能出現(xiàn)反偏擊穿的外部狀態(tài)：GND→IN、OUT→IN、GND→OUT、ADJ→OUT，應(yīng)用中要求：GND →IN≤|-1V|,其他管腳間為≤|-5V|。

【以上幾種現(xiàn)象損壞的穩(wěn)壓器、可以通過電路解剖觀察芯片有不同的燒毀痕跡。】

在測試或裝配過程中‘人為疏忽’造成‘反接’狀態(tài)，是“沒有什么措施可以保護”的。如：發(fā)生管教倒置，輸入電壓極性接反、樣品規(guī)格與使用規(guī)格不符等情況，必須操作中細心的加以防止。

在特定情況下有應(yīng)用電路產(chǎn)生的‘瞬態(tài)’的反偏狀態(tài)，可以參考推薦保護措施增加相應(yīng)保護元件還是可以避免的，當缺少相應(yīng)的保護元件時‘偶發(fā)’條件下穩(wěn)壓器電路的隨機損壞的情況將不能避免這種情況引起的電路失效不屬于電路產(chǎn)品質(zhì)量問題。

（一）OUT→IN端反偏

1、產(chǎn)生來源：

①負載時對電池類的充電應(yīng)用，斷電時電池并未脫離電路輸出端。

②電路輸入存在有大的負向脈沖，如果電路輸入同時存在較大的感性負荷的反電動勢。

③電路輸出端接入大的濾波電解電容。（發(fā)生較多的反接擊穿情況）

保護措施：在電路I-O端之間增加保護二極管Di，將I-O反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)。

2、機理分析：

只要不是穩(wěn)壓電路輸出應(yīng)用環(huán)境造成的工作條件，應(yīng)用中在電路輸出端不應(yīng)接入大的濾波電解電容。接入這個電解有可能造成一個電路的OUT→IN端之間的‘反接’機會。

理論上，只要電源的輸入濾波電解足夠大，可以保證即使在穩(wěn)壓電路輸入電壓處于紋波‘谷點’時也可以滿足電路穩(wěn)壓必須的最小輸入壓差的特定要求。電路自身具有很強的紋波抑制能力，根本沒有必要在輸出端接濾波電解電容。

接輸出端的濾波電容對于電源濾波所起的作用很小，這個電容有時反而會造成意外損壞穩(wěn)壓器電路的特定條件。

不推薦在輸出端接濾波電容式由于電容的‘儲能作用’，電容充電后可等效為一電池，在特定的情況下，如輸入電壓在瞬間的短路，感性元器件產(chǎn)生的負脈沖或關(guān)機后輸入電壓下降更快時，有可能造成電路VO＞VI的電位反偏狀態(tài)。在輸出端接濾波電容＞20μF以后，電路調(diào)整管的反偏-5V左右。輸出電容的放電過程可能在mS量級的瞬態(tài)反向擊穿或損傷電路調(diào)整管，輸出電容容量越大，反偏電壓越高，對調(diào)整管損傷越嚴重直至燒毀。

3、附帶的建議：

50Hz市電整流濾波應(yīng)用時，CD值為每1A負載電流取2000μf范圍，否則輸入紋波可能較大。在穩(wěn)壓電路的輸入電壓已經(jīng)很低時，就可能造成（Vi-Vo）低于電路工作時允許的最小壓差（Vi-Vo）min，出現(xiàn)電路瞬間脫離穩(wěn)壓控制的狀態(tài)。

電路脫離穩(wěn)壓狀態(tài)時輸出不等比跟蹤輸入變化。在(Vi-Vo)≥(Vi-Vo)min時，輸出電壓穩(wěn)定在途中的直線Vo段，在(Vi-Vo)＜(Vi-Vo)min時，由于這時電路脫離穩(wěn)壓狀態(tài)，輸入的紋波電壓幾乎完全鏡象到電路輸出，這時穩(wěn)壓電路的紋波抑制比功能此時不會起作用，對外表現(xiàn)電路穩(wěn)壓特性很差或電路不能穩(wěn)壓。如下圖中Vo為穩(wěn)壓時的值、Vo'為用直流電壓表的測量的平均值、Vd為鏡像到輸出的輸入紋波谷點電壓。

（二）GND→IN端反偏

1、產(chǎn)生來源：

在汽車類電子領(lǐng)域的電路應(yīng)用中發(fā)生較多，如部分車型的汽車馬達、點火系統(tǒng)等感性設(shè)備產(chǎn)生的約50-200mS脈寬范圍的瞬態(tài)微分峰值電壓可達+70V、-80V范圍，5-20mS脈寬范圍的可能達到+110V、-250V范圍。其中的負向脈沖造成了這種反偏。（正想脈沖可能造成電路輸出出現(xiàn)‘瞬態(tài)’過壓擊穿燒毀）

2、保護措施：將反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)，對于負向脈沖增加Df進行抑制。

（三）GND→OUT端反偏

1、產(chǎn)生來源：

①來自正負輸出配對應(yīng)用，當正負輸出的公共負載發(fā)生瞬態(tài)的短路時。

②電路輸出存在有大的感性負荷，較大的反向電動勢產(chǎn)生的負向脈沖。

③為獲得高于穩(wěn)壓器標稱值的電路輸出，輸出電壓被Dz抬起一個固定電壓值（如下圖），沒有保護二極管D的情況下，輸出存在瞬態(tài)的短路情況。

由于設(shè)計算短穩(wěn)壓器電路正常工作時，電路的公共端的電位應(yīng)是最低的（絕對值），無論任何原因造成電路GND端電位高于其他兩端電位的情況，即屬于電路的‘反偏’狀態(tài)，反偏電位的絕對值達到5V以上時，mS量級脈寬的瞬態(tài)‘反偏’就會造成內(nèi)部電路的相關(guān)區(qū)域受損或燒毀。這種擊穿是隨機發(fā)生的現(xiàn)象，不同批次產(chǎn)品或同批次產(chǎn)品發(fā)生概率可能不同。

2、保護措施：應(yīng)將反偏電壓鉗位在1V以內(nèi)。增加途中二極管D。

（四）Adj→OUT端反偏

可調(diào)三端穩(wěn)壓器典型應(yīng)用電路

1、產(chǎn)生來源：

從可調(diào)系列電路的典型應(yīng)用電路圖可以看出，應(yīng)用中調(diào)整端Adj的電位應(yīng)永遠低于輸出端OUT的電位，參考OUT端的電位而言Vadj=VREF=-1.25V。

在輸出電壓取樣回路中，VR2=Vadj=VO-VREF=VO-1.25V≈VO，可見在可調(diào)系列電路讀書處取樣回路中，電壓幾乎是全部的降在可調(diào)電阻R2上。因此、VC3=VR2≈VO。

產(chǎn)生VO-ADJ端‘反接’的原因：應(yīng)用中在可調(diào)系列電路時，在輸出下取樣電阻的兩端并聯(lián)一支10μ~47μ的輸出紋波抑制電解C3，這個C3確實可起到減小輸出紋波電壓的作用（注意：紋波參數(shù)測試時，對C3的容量也是有具體要求的）。但因有VC3=VR2≈VO的存在，接入這個電解也創(chuàng)造了一個ADJ→VO端之間的電路‘反接’機會。

可調(diào)三端內(nèi)部電路簡圖

從內(nèi)部電路的局部電路圖中可以看出，在VO-Adj端的反偏足夠大時，Q17的EB結(jié)就可能因為電壓反偏被擊穿，但足可以燒毀與電阻R14相關(guān)的電阻體、10~20μm寬的鋁引線層、引線孔等局部電路部分。當外部表征為器件的輸出電壓不能進行調(diào)整時，這時電路已經(jīng)失效了。

造成這類擊穿由于三極管的BVEBO是很低的（不妨用分立器件的三極管實測一下）。從圖中可以看出、接于Adj端的C3是通過調(diào)整電流Iadj進行充電的，但C3被充電后自身是沒有‘低阻的’放電通路的。如果應(yīng)用中設(shè)點VO較高，由于VC3≈VO，必然有C3兩端的電壓VC3也很高。如這時出現(xiàn)VO≈0時的瞬間‘短路’狀態(tài)，必然造成Adj→VO端的反偏擊穿，C3儲存的能量通過調(diào)整端內(nèi)部電路進行逆向放電（放電通路用虛線表示）。

在C3＞10μF、VC3＞5V以后，僅需mS量級的瞬態(tài)，就有可能燒傷穩(wěn)壓器調(diào)整端內(nèi)部的局部電路，由于燒毀所需能量很小，因此顯微鏡下觀察這種造成電路失效的燒痕最小，一般僅在20μm×20μm范圍以內(nèi)。

2、保護措施：增加典型應(yīng)用電路圖中的反向鉗位二極管DO。

防止測試中電路樣品異常損壞：

針對正壓可調(diào)系列電路，測試儀器使用前應(yīng)明確必須有反向鉗位二極管DO存在。

其理由很簡單：對于正可調(diào)系列金屬封裝的電路，金屬殼體的裝配孔為第三引出端、并被定義為電路的輸出端。對樣品進行測試時、先接觸插座的肯定是插入孔中的1腳、2腳，即輸入端和調(diào)整端，一旦1腳、2腳插入后、電源立刻通過調(diào)整電流Iadj對接在C3充電。如設(shè)定的VC3較高、最后接觸插座的輸出端可能存在短路的條件時（可參考下方C-V圖的△t瞬間），就有可能在測試中燒傷穩(wěn)壓器調(diào)整內(nèi)部的局部電路。聲明：由這種情況造成測試后電路樣品失效不是個案。

三端穩(wěn)壓器的引腳識別與好壞判斷方法

(1)引腳識別

三端穩(wěn)壓器的封裝有金屬封裝和塑料封裝兩種，外形如同一只大功率晶體管，引腳的排列如圖9-30所示。不同系列的穩(wěn)壓器，其各腳的作用不同。其中最常用的W78××系列穩(wěn)壓器，為輸入端(I)，為輸出端(O)，為公共端(COM);W79××系列則是為公共端，為輸出端，為輸入端;常用的可調(diào)三端穩(wěn)壓器LM317T，外形如W78××，其為可調(diào)端，為輸入端，為輸出端。端輸出電壓值由端電壓變化調(diào)節(jié)。

(2)性能鑒別

對78××和79××系列三端穩(wěn)壓器，鑒別其好壞可使用萬用表 R × 100擋，分別檢測其輸入端與輸出端的正、反向電阻值。正常時，阻值相差在數(shù)千歐以上;若阻值相差很小或近似為零，說明其已損壞。表9-14、表9-15為最常用的78××和79××21種三端穩(wěn)壓器的實測各引腳非在路電阻值，供檢測時參考。

表下表 78××三端穩(wěn)壓器各引腳非在路電阻值(kΩ )

下表 79××三端穩(wěn)壓器各引腳非在路電阻值(kΩ )

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