三極管和MOS管的異?，F(xiàn)象與根本原因分析

1、現(xiàn)象、問題描述：

板在環(huán)境試驗(yàn)低溫存儲(chǔ)后（機(jī)框下電，-40°存儲(chǔ)24h，恢復(fù)到常溫25°，在25°條件下保持2h）上電，發(fā)現(xiàn)有4塊單板未正常啟動(dòng)。監(jiān)控單板電源，發(fā)現(xiàn)所有問題單板的5V電源異常（測(cè)試值為2.6V），而3V3、3V3_STBY、5V_STBY等電壓輸出正常；過了20分鐘后（未對(duì)問題單板進(jìn)行插拔），問題單板都恢復(fù)正常。

下圖中5V異常，Q44沒有充分導(dǎo)通。

我們?cè)诘蜏貙?shí)驗(yàn)之后，一直沒有找到規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)的時(shí)候，噴上液氮模擬低溫，總覺得這個(gè)現(xiàn)象，時(shí)有時(shí)無。很難琢磨。后來郁悶至極，跟同事討論說：你覺不覺得跟天氣有關(guān)？天氣不好的時(shí)候，就容易出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象？

情急之下，用手指抹了一下口水涂抹在三極管封裝表面。然后噴上液氮，問題復(fù)現(xiàn)了。

一個(gè)奇怪的跟天氣有關(guān)電路：

2、關(guān)鍵過程、根本原因分析：

圖1 5V&3V3控制電路

分析過程：

單板故障時(shí)，5V_STBY輸出正常，而5V輸出只有2.6V，分析圖1電路的MOS管Q44（15060203）可知，此時(shí)該MOS管的Vgs小于導(dǎo)通閥值Vgs(th)（查看器件手冊(cè)，低溫下Vgs(th)大概為2.3V，見圖2），處于未完全導(dǎo)通狀態(tài)。要使5V輸出正常，則Q44的G點(diǎn)電壓Vg（即VEN_5V_3V3）必須大于7.3V（5V+2.3V）；反之，單板出現(xiàn)故障時(shí)，VEN_5V_3V3 <7.3V。

圖1，3V3和5V輸出的MOS管G點(diǎn)使用同一個(gè)信號(hào)EN_5V_3V3來控制。單板發(fā)生故障時(shí)，3V3輸出正常，因此Q1的Vgs>2.3V；VEN_5V_3V3>5.6V(3V3+2.3V)。

根據(jù)上面的分析可知，由于VEN_5V_3V3處于5.6V~7.3V之間，導(dǎo)致單板5V輸出異常，3V輸出正常。以下對(duì)VEN_5V_3V3輸出降低的原因進(jìn)行分析，圖3為分析過程。

圖2 MOS管Q44（15060203）Vgs曲線圖

圖3VEN_5V_3V3輸出降低原因分析過程

2.1 排除Q15（15050026）三極管處于放大區(qū)

理論分析：

當(dāng)單板啟動(dòng)時(shí)，SLP_S3會(huì)輸出3V3電平，此時(shí)Q14的ib=（3.3-0.7）/2K=1.3mA；按三極管處于放大區(qū)時(shí)hFE=100計(jì)算，ic=100*1.3mA=130mA，已經(jīng)超過了ic的飽和電流1.2mA（12V/10K），因此，Q15的B點(diǎn)電壓應(yīng)接近于0V，三極管應(yīng)該處于關(guān)閉狀態(tài)，不可能處于放大區(qū)。而根據(jù)三極管的溫度特性（見圖4），溫度越低，三極管開啟電壓閥值越高，更不容易開啟。因此，理論分析，此時(shí)三極管Q15不是處于放大區(qū)。

實(shí)測(cè)結(jié)果：

單板故障復(fù)現(xiàn)時(shí)，實(shí)測(cè)Q15的B點(diǎn)電壓只有12mV，因此，三極管Q15不可能處于放大區(qū)。

圖4 三極管Q15（15050026）Ic電流曲線圖

2.2 排除三極管Q15的CE漏電流或MOS管Q1、Q44的GS漏電流導(dǎo)致

查看MOS管（15060203）數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，MOS管的GS漏電流最大只有100nA（見圖5）。

圖5 MOS管（15060203）GS漏電流

查看三極管Q15（15050026）的CE漏電流最大為100nA（見圖6）。

圖6 三極管Q15（15060203）CE漏電流

從上可知，三極管Q15的CE漏電流或MOS管Q1、Q44的GS漏電流，最多使VEN_5V_3V3的電壓下降3mV（100nA*3*10K），所以也不是故障產(chǎn)生的根因。

2.3 確認(rèn)漏電流往三極管Q15方向流

單板故障時(shí)，R382上有大概0.5mA（5V/10K）的電流流過，流往的方向只有兩個(gè)：I1或I2方向，如圖7所示。通過下面操作來確認(rèn)漏電流流向。

操作方式如下：

1、用液氮對(duì)Q15降溫操作，故障復(fù)現(xiàn)，VEN_5V_3V3逐漸降低時(shí)，檢測(cè)到的電流I2逐漸增大，而電流I1始終為0。

2、用液氮對(duì)Q1、Q44降溫操作，多次降溫，未發(fā)現(xiàn)VEN_5V_3V3輸出降低。檢測(cè)到的I1 、I2電流都為0。

由此可以知道，三極管對(duì)低溫敏感，造成單板故障。且單板故障時(shí)，R382上的電流都是往三極管Q15上流的。

圖7 I1 、I2電流檢測(cè)

2.4 分析三極管Q15產(chǎn)生漏電流的原因

1、懷疑三極管Q15上拉的電壓（12V）過高；

2、三極管封裝封裝雜質(zhì)；

3、懷疑是三極管本身的特性造成，改用相同封裝的MOS管代替。

造成單板故障是三極管Q15在低溫下引起，且R382上產(chǎn)生的電流都是流向Q15。因此為排查其他因素的影響，對(duì)單板上的電路做如圖8處理：斷開后級(jí)的Q1和Q44（去掉100歐姆電阻）；將Q15B點(diǎn)的直接拉地。

2.4.1排除三極管Q15上拉的電壓（12V）過高；

為了驗(yàn)證該問題是否是Q15的C點(diǎn)上拉電壓過高引起，因此將上拉電壓從12V改為5V，用液氮對(duì)Q15進(jìn)行降溫處理。

圖8 上拉電壓更換為5V

結(jié)果：VEN_5V_3V3仍然會(huì)出現(xiàn)下降，因此，可以排除三極管Q15上拉的電壓過高因素

2.4.2排除三極管封裝雜質(zhì)因素

此前其他產(chǎn)品線出現(xiàn)過MOS管器件內(nèi)部污染導(dǎo)致漏電流超標(biāo)的問題，但此類問題屬于批次問題。將Q15更換為不同批次和不同廠家的三極管（15050026）進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象依然存在。因此，排查三極管封裝雜質(zhì)因素。

2.4.3懷疑三極管自身特性造成

其他單板類似電路在Q15處用MOS管(相同封裝)代替，因此，懷疑是否是三極管自身的特性引起，于是用相同封裝的MOS進(jìn)行代替，并進(jìn)行液氮降溫測(cè)試。

圖9 將Q15更換為同封裝的MOS管

故障仍然存在，VEN_5V_3V3在低溫下，從5V開始跌落，最低跌落到2V以下，且保持時(shí)間超過15分鐘以上。排除三極管自身特性造成。

圖10 VEN_5V_3V3 在低溫下下降到1.44V

2.4.4確認(rèn)是SOT23封裝的三極管和MOS管在低溫下阻抗減小導(dǎo)致

測(cè)試故障單板上MOS管Q15的DS阻值，發(fā)現(xiàn)只有7K；而單板正常時(shí)測(cè)試到的DS阻值為41K，因此懷疑是低溫導(dǎo)致SOT23封裝的MOS管DS阻值、三極管CE的阻抗變小，和上拉的10K電阻產(chǎn)生分壓，導(dǎo)致輸出VEN_5V_3V3降低。

為驗(yàn)證在低溫下SOT23封裝的MOS管DS阻抗、三極管CE阻抗會(huì)變小，取多個(gè)三極管、MOS管器件（SOT23封裝，未焊在板上），用液氮進(jìn)行降溫，測(cè)試三極管CE、MOS管DS的阻抗。

降溫前，測(cè)試到的阻抗為無窮大（100M歐以上）；降溫后，測(cè)試到的阻抗會(huì)降低，測(cè)試到的最小阻抗只有10K。

因此，可以確認(rèn)是SOT23封裝的三極管和MOS管在低溫下阻抗減小，和上拉的10K電阻產(chǎn)生分壓，導(dǎo)致輸出VEN_5V_3V3降低。

廠家已承認(rèn)有這種問題，在低溫、高濕度的環(huán)境下，SOT23封裝的三極管和MOS管的阻抗會(huì)減小。

3 結(jié)論、解決方案及效果：

結(jié)論：在低溫、高濕度情況下，SOT23這類小封裝的三極管（或者M(jìn)OS管）會(huì)呈現(xiàn)低阻抗特征，和上拉的10K電阻產(chǎn)生分壓，導(dǎo)致VEN_5V_3V3輸出變低。當(dāng)三極管Q15的CE阻抗降低到小于14K時(shí)，由于分壓，VEN_5V_3V3輸出會(huì)小于7V，使5VMOS管的Vgs電壓小于MOS管的導(dǎo)通要求，導(dǎo)致5V輸出變低。

圖13 5V輸出變低過程

解決方案：

減小Q15三極管C點(diǎn)的上拉電阻，改為1K。減小封裝在低溫高濕的情況下，樓電流，影響輸出端電壓。

改為1K之后，Q15完全導(dǎo)通時(shí)電流比較大。要注意電阻的封裝、額定功率。

4、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、預(yù)防措施和規(guī)范建議

SOT23封裝的MOS管、三極管在低溫+高濕度的條件下，三極管的RCE、MOS管的RDS呈現(xiàn)低阻抗特征，如果選用此類器件來控制開關(guān)/使能信號(hào)，建議上拉的電阻不要太大，保證輸出電壓滿足后級(jí)開啟要求，同時(shí)需要注意上拉電阻的降額要求。

原文標(biāo)題：天氣不好就會(huì)異常的三極管

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審核編輯：湯梓紅