某半導(dǎo)體設(shè)備二次上電跳閘問題淺析

近日，有半導(dǎo)體設(shè)備客戶向我們反饋其設(shè)備中應(yīng)用多臺(tái)電源供電，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證過程中面臨輸入跳閘問題。因?yàn)樵摪雽?dǎo)體設(shè)備對(duì)生產(chǎn)效率，可靠性和使用壽命的高要求，客戶擔(dān)心是否存在隱患，導(dǎo)致整體供電系統(tǒng)功能降級(jí)甚至帶來更嚴(yán)重的后果。

是什么原因?qū)е略O(shè)備面臨二次上電跳閘問題呢？下面我們嘗試簡(jiǎn)要分析引起跳閘問題的原因、對(duì)策和對(duì)電源產(chǎn)品和供電架構(gòu)選擇的一些思考。

一. 問題描述：

用戶的半導(dǎo)體設(shè)備采用多臺(tái)開關(guān)電源供電，當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)備輸入斷電后馬上二次上電，較容易引發(fā)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)輸入側(cè)空氣開關(guān)跳閘。如果設(shè)備斷電后等待數(shù)秒鐘以上，再次上電就不會(huì)引發(fā)跳閘現(xiàn)象。

二. 原因分析：

經(jīng)驗(yàn)表明，工業(yè)設(shè)備斷電后馬上送電引起的跳閘現(xiàn)象多數(shù)為輸入側(cè)二次啟動(dòng)沖擊電流（Secondary InrushCurrent）導(dǎo)致。

為了降低啟動(dòng)瞬間輸入側(cè)高壓電解電容充電引起的沖擊電流，開關(guān)電源一般均內(nèi)置輸入沖擊電流抑制功能。小功率電源業(yè)內(nèi)常見的方案是通過內(nèi)置負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）來抑制啟動(dòng)沖擊電流。中大功率開關(guān)電源受功耗限制，普遍采取有源沖擊電流抑制方式，待沖擊電流抑制動(dòng)作完成后，再驅(qū)動(dòng)有源器件旁路掉功率電阻，實(shí)現(xiàn)降低功耗目的。

下圖一為某中大功率開關(guān)電源內(nèi)部框圖。如圖一紅色方框所示，有源沖擊電流抑制電路串聯(lián)于功率因數(shù)校正（PFC）電路上，用來限制輸入上電啟動(dòng)瞬間帶來的沖擊電流。

圖一

考慮到大功率電源產(chǎn)品的可靠性和長(zhǎng)期使用壽命，正常工作時(shí)必須確保有源旁路器件始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，可靠地旁路掉串聯(lián)回路上的功率電阻，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)功耗最優(yōu)化。

受電磁兼容法規(guī)限制，工業(yè)級(jí)電源需要滿足電壓暫降和短時(shí)中斷（常見標(biāo)準(zhǔn) SEMI F47, IEC61000-4-11 或GB/T 17626.11）測(cè)試要求。開關(guān)電源內(nèi)置有源沖擊電流抑制電路在輸入短時(shí)中斷期間將盡可能維持導(dǎo)通狀態(tài)，避免功率電阻抑制能量傳遞，導(dǎo)致電源輸出能量受限，無法通過法規(guī)要求的測(cè)試。

受產(chǎn)品功耗，效率，壽命和電磁兼容法規(guī)等限制，中大功率開關(guān)電源內(nèi)置有源沖擊電流抑制電路選擇在短時(shí)間內(nèi)（典型值為數(shù)百毫秒）處于強(qiáng)制導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)電源輸出保持一定負(fù)載時(shí)，輸入短時(shí)掉電后，電源內(nèi)部高壓電解電容將被快速放電至欠壓保護(hù)點(diǎn)。若很短時(shí)間內(nèi)輸入再次上電，因?yàn)殡娫摧斎雮?cè)和內(nèi)部高壓電解電容之間存在較高壓差，且處于強(qiáng)制導(dǎo)通狀態(tài)下的有源沖擊電流抑制電路阻抗很低，所以容易帶來較高的二次沖擊電流。

當(dāng)電源處于輕載或空載工況時(shí)，其內(nèi)部高壓電解電容尚存較多能量，可以確保高壓電解電容維持較高的電壓水平。因此，即使輸入中斷數(shù)百毫秒后再次送電，也能一定程度上緩解了二次沖擊電流峰值。下圖為半導(dǎo)體行業(yè)中常用的我司大功率電源HWS1500系列在輸入 200VAC輸入時(shí)，短時(shí)中斷產(chǎn)生二次沖擊電流的典型測(cè)試數(shù)據(jù)。橫軸為輸入斷電后二次上電的時(shí)間間隔，縱軸為二次上電引發(fā)的沖擊電流峰值。其中處于圖二所示上方的實(shí)線和點(diǎn)橫線分別為滿載和半載工況，最下面的虛線為空載工況。

圖二

從圖二所示曲線可以看出，輸入短時(shí)中斷后二次上電將引起較高的二次沖擊電流。若輸入斷電狀態(tài)維持在 1S以上，二次沖擊電流峰值將明顯降低。

常規(guī)應(yīng)用中，大功率電源在短時(shí)間輸入中斷時(shí)不可避免存在二次沖擊電流，考慮到內(nèi)部高壓電解電容殘余能量，實(shí)際二次沖擊電流脈寬較窄，只要輸入側(cè)空氣開關(guān)型號(hào)配置得當(dāng)，不容易導(dǎo)致輸入跳閘。

考慮該應(yīng)用為多臺(tái)電源用于同一套設(shè)備，輸入短時(shí)中斷造成的二次沖擊電流存在疊加可能。若設(shè)備輸入側(cè)的空氣開關(guān)的容量不足，很可能在輸入短時(shí)中斷后的二次上電時(shí)觸發(fā)保護(hù)，引起跳閘現(xiàn)象。

三. 解決對(duì)策：

對(duì)策 1：更換合理的前級(jí)輸入側(cè)空氣開關(guān)。

設(shè)備前級(jí)輸入側(cè)空氣開關(guān)同時(shí)具備過載保護(hù)和短路保護(hù)功能。其中過載保護(hù)通過熱脫扣來實(shí)現(xiàn)，這屬于慢速保護(hù)，典型動(dòng)作時(shí)間約 0.1 秒到 1 秒鐘。短路保護(hù)屬于磁脫扣范疇，這是一種快速保護(hù)方式，其典型脫扣時(shí)間為15mS 到 100mS。

針對(duì)工業(yè)級(jí)半導(dǎo)體設(shè)備輸入側(cè)空氣開關(guān)，若不考慮斷電后一秒鐘內(nèi)二次上電，一般在輸入側(cè)配置 C特性空氣開關(guān)。若客戶期望斷電后極短時(shí)間內(nèi)二次上電也不會(huì)脫扣，建議選擇抗磁脫扣能力更強(qiáng)的D特性空氣開關(guān)?？蛻粢部梢愿鶕?jù)自身實(shí)際情況，聯(lián)系空氣開關(guān)供應(yīng)商了解各種特性脫扣曲線相關(guān)的詳細(xì)內(nèi)容，選擇更合理的配置。

即使輸入短時(shí)中斷后二次上電過程中存在較高二次沖擊電流，TDK旗下 TDK-Lambda品牌的中大功率開關(guān)電源也能滿足自身各類設(shè)計(jì)指標(biāo)，維持一貫的高可靠性和長(zhǎng)壽命特色。

對(duì)策 2：采取多路輸出電源或解決方案供電

TDK-Lambda 可提供多種高可靠性長(zhǎng)壽命的多路輸出電源方案。因?yàn)樵摲桨钢恍枰宦?AC 輸入，所以輸入側(cè)漏電流、啟動(dòng)沖擊電流、短時(shí)中斷二次沖擊電流和 EMI 等壓力都明顯降低。

下一期，我們將向大家詳細(xì)介紹半導(dǎo)體設(shè)備中高可靠性多路輸出供電方案，敬請(qǐng)期待！

對(duì)策 3：變更輸入分線盒架構(gòu)，采取異步上電方式。

若客戶期望進(jìn)一步降低整機(jī)二次沖擊電流，也可通過輸入分線盒改進(jìn)配線。但是這將帶來體積、成本和電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)上升。

解決低概率現(xiàn)象的同時(shí)，造成成本、體積、和電磁兼容等風(fēng)險(xiǎn)上升，尚需進(jìn)一步深入評(píng)估。

四. 小結(jié)與思考：

大功率電源輸入中斷后再次上電時(shí)引發(fā)的二次沖擊電流現(xiàn)象并非故障，這是能量守恒客觀物理規(guī)律導(dǎo)致。這也是產(chǎn)品可靠性、功耗最小化，長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)和滿足電磁兼容法規(guī)限制下的合理折衷方案。

在實(shí)際使用過程中，半導(dǎo)體設(shè)備的輸入空開配置容量普遍要高于一般測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，因此不太容易在客戶端實(shí)際應(yīng)用中遇到類似問題。

在國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體需求持續(xù)爆發(fā)和國(guó)產(chǎn)替代蓬勃發(fā)展的大背景下，半導(dǎo)體制造和封裝測(cè)試的產(chǎn)能都隨之大幅度增長(zhǎng)。這對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的需求也與日俱增，同時(shí)也對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備中核心基礎(chǔ)供電部分提出新的要求。除了選擇合理的架構(gòu)和電源方案之外，前期充分且高效溝通的重要性也上升到前所未有的高度。

審核編輯：郭婷