关于空调控制器三端稳压管的失效原理的分析与研究

张成成

摘要：三端稳压管是空调控制器常用元器件，主要作用是直流电压的转换、稳定。三端稳压管内部晶元为半导体材料，实际生产过程中常出现静电类的损伤，并且会影响整个空调控制器正常工作。因此，对于三端稳压管的失效原理的分析研究尤为重要，它可以帮助我们从根源上解决失效问题。本文针对失效的三端稳压管做详细分析，根据失效原理，总结三个优化方向：1、提升稳压管内部受损器件的抗静电能力；2、稳压管内部增加一个电阻，用于防止静电损伤的；3、在稳压管输入端增加一个电容，用于消除静电。

关键词：三端稳压管；ESD；启动电路

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.012

前言

目前，各企业空调的为实现智能控制均需要使用电控器，而电控器中常用的弱电稳压器件是三端稳压管，常用的有7815、7812、7805系列。由于厂家制造工艺不一致，同系列稳压管设计方案不一致，稳压管使用环境、工作环境等因素，导致稳压管的使用寿命不一致，使用过程中出现大量的三端稳压管失效案例，而三端稳压管的失效直接导致空调无法运转。因此对于三端稳压管使用过程中的失效原理做出分析，找出根本原因并优化，可以减少生产过程及售后使用过程中稳压管下线，同时有助于生产制造成本及售后维修成本。本文是针对售后失效的三端稳压管，通过检验稳压管的使用环境、器件自身抗静电能力，分析稳压管的失效模式，模拟同类失效故障件，统计分析失效数据的方式来给出合理的优化方案。

1 三端稳压管的工作原理及部分名词概念解释

1.1 三端稳压管的工作原理

目前各厂家设计的三端稳压管基本工作原理大同小异，只不过根据三端稳压管在售后出现的异常做出部分电路的优化，通过更改部分元器件参数来达到不同的稳压效果，抵抗各种使用环境的考验。三端稳压管的工作原理如图1所示，各厂家根据实际需要修改电路参数、元器件。

根据原理图各模块功能分为启动电路、基准电压电路、采样比较放大和调整电路、保护电路。具体结构划分如图2所示。下面针对稳压管内部各结构区域作具体分析。

1.1.1 启动电路

启动电路由T1、T2、Dz1组成。当输入电压Vi高于稳压管Dz1的稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升导通，同时恒流源T4、T5也工作。T4的集电极电流通过Dz2以建立起正常工作电压，当Dz2和Dz1达到相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。同时T2因基极和发射极电压差为0而截止，切断了启动电路与放大电路的聯系，从而保证T2左边出现的纹波与噪音不影响基准电压源。

1.12 基准电压电路

基准电压电路由T4. Dz2. T3. R1.R2、R3及D1、D2组成，电路设计和工艺上使用具有正温度系数的R1、R2、R3、Dz2与具有负温度系数的T3、D1、D2发射结互相补偿，可以使基准电压基本不随温度变化。同时，对稳压管Dz2采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压波动的影响。

1.1.3 采样比较放大电路和调整电路

采样比较放大电路和调整电路由T4T11组成，其中T10、T11组成复合调整管；R12、R13组成取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差动式放大电路；T4、T5组成的恒流源作为它的有源负载。T9、R9作为缓冲电路，为T8起分流作用。

1.1.4 保护电路

保护电路分为减流式保护电路和过热保护电路，防止因输入电压过高、输入电压变动、稳压管工作温度过高等原因导致稳压管损坏。

（1）减流式保护电路

减流式保护电路T12、R11、R15、R14和Dz3、Dz4组成：R11为检流电阻。保护的目的主要是使调整管（主要是T11）能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值。

由于Dz3、Dz4、R14、R15、T12所构成的支路使T10、T11调整管电路的功耗限制在额定范围内，降低输入电压较高时流经R11的电流，故称为减流式保护。（2）过热保护电路 过热保护电路Dz2、T3、T14和T13组成，在常温时R3上的压降仅0.4V左右，T14、T13截止，对电路工作无影响。当某种原因使芯片温度上升到极限值，R3上压降随Dz2的工作电压升高而升高，T14、T13导通，调整管T10的基极电流被T13分流，流经R11电流下降从而达到过热保护的作用。

2 导致三端稳压管失效的环境因素分析

三端稳压管在空调企业的使用过程中，通常会经历温度、瞬间通断电、电气安全测试、静电的考验，现针对各种类型的考验设计实验，分析失效原因。

2.1 验证温度过高对稳门；管的影响

稳压管在空调生产过程中，涉及波峰焊接、人工焊接等高温考验，其中人工焊接温度最高可达400℃。设计实验：取稳压管合格品三个，使用烙铁持续接触稳压管焊接端，设置420℃，分别持续高温焊接1分钟、2分钟、3分钟，冷却后再测试稳压管输出电压值是否符合要求。

实验结果如表1，以7805系列稳压管为例，实验结果说明高温焊接对于稳压管未造成明显损坏。

2.2 验证瞬间通断电对稳压管的影响

稳压管在空调生产过程中，需要经历通断电测试环节。设计实验：取一块装有稳压管的电控器，在稳压管的输入端、信号地端连接测试点，模拟插拔电源线过程，使用示波器测量稳压管输入端电压是否异常。

实验结果如图3，测量7812稳压管输入端最高电压17V，7805稳压管输入端稳定在12V，通断电时稳压管输入端均未出现过电压情况。

电源线插拔过程中肯定存在低频脉冲电压，但是稳压管输入端未出现脉冲电压分析原因为空调电控器的稳压管前端匹配了uF级别电容，可滤除低频脉冲电压。如图4，为常见稳压管的应用电路，匹配的C133电解电容可消除低频脉冲电压。endprint

2.3 验证电气安全测试对稳压管的影响

稳压管在空调生产过程中，需要经过电气安全测试，根据交/直流耐压、绝缘电阻、泄漏电流、接地电阻等四项基本指标的测试原理对于可判断稳压管无影响（测试原理在此不做详述）。设计实验：取一块装有稳压管的电控器，在稳压管的输入端、信号地端连接测试点，对电控器进行电气安全测试，使用示波器测量稳压管输入端电压是否异常。

实验结果如图5，7812稳压管输入端最高出现6V脉冲电压，7805稳压管输入端最高出现3V脉冲电压，不会对稳压管造成损坏。

2.4 验证静电对稳压管的影响

空调生产过程中较常见的静电释放模式为人体模式（HBM）和机器模式（MM）。设计实验：取某厂家合格三端稳压管若干，分别使用人体模式（HBM）和机器模式（MM）对稳压管击穿，每个稳压管电击5次，记录击穿稳压管的临界电压。如图6、图7。先对电容充电，然后释放电容电量至稳压管输入端和地脚端。

实验结果如表2，以稳压管输出电压异常为标准，HBM模式下，击穿电压为10KV，MM模式下，击穿电压为3.5KV。可以判断MM模式下稳压管更容易击穿，空调生产过程中MM模式静电释放常见于注塑件、泡沫等易产生静电材料。

3 对三端稳压管故障件失效情况分析

现从故障件基本属性、散热情况、内部晶元失效点及通电情况来判断失效方式。

3.1 稳压管故障品与合格品基本属性对比

对故障件各引脚之间的PN结、阻值测量如表3，可知故障件与合格品基本属性无差别，生产过程中较难识别故障稳压管。

3.2 稳压管散热情况

故障稳压管与合格稳压管的散热膏涂覆、散热器安装对比如图8，散热状态良好。

X光查看故障稳压管与合格稳压管的晶元与稳压管散热块接触良好，如图9。

3.3 故障稳压管内部品元失效点分析

通过电子显微镜扫描分析故障稳压管受损点，根据受损点设计实验、分析数据等判断受损点是否正确。

3.3.1 电子显微镜分析故障稳压管受损点并分析受损方式

使用电子显微镜扫描某厂家故障稳压管内部晶元，特写视图显示Q7晶体管熔硅，判断是由于电损伤导致，该厂家稳压管内部原理图如图10。

稳压管只有Q7晶体管异常，对图10中Q7晶体管附近电路简化，分析静电或过电由稳压管输入端和地脚窜入时Q7受到的影响，简化电路如图12。

由于其输入端低频电容滤波的保护，稳压管装上PCB板后不会再受EOS（Electrical Over Stress，指所有的过度电性应力）类损伤，该稳压管最大输入电压为35V，根据生产工序，35V电压以上的EOS来源全部在稳压管装上PCB板后，稳压管不会受到EOS类损伤，判断为Q7的损伤为ESD（Ele ctrical Static Discha rge，指静电放电）类损伤导致。

根据Q7损伤类型为ESD类损伤，若静电由Ui输入，地脚输出，Q7的集电极、基极导通，若静电压大于D1稳压值，大量电流流经Q7导致其损伤：

若静电由地脚输入，Ui输出，D1导通，静电电压大量消耗Q7基极，导致Q7由基极向集电极击穿。

无论是哪一种静电窜入方式，该种稳压管涉及方案均容易导致Q7损伤。

3.3.2 设计实验、分析数据判断受损点是否判断正确

根据图10，Q7稳压管位于的启动电路，若其损伤，稳压管将无法启动不工作。对稳压管输入端输入电压，电流流经方式如图13，流向由红色线出发，分流成蓝色、绿色线，汇总到紫色线流出地脚。在D2稳压值饱和后，输出端电压Vout因只涉及阻性分压，因此Vout会随输入电压呈线性增长。

设计实验：现对故障稳压管输入端输入电压，并不断增加电压值，记录Vout如表4，制作成线形图如图14，可知Vout会随输入电压呈线性增长，符合Q7损伤的故障现象。

分析数据：根据表3中数据，故障稳压管的基本属性PN结、阻值与合格品无差别。根据图10可知基本属性PN结、阻值的测量实际只是测量图10右侧的部分元器件属性，Q7的损伤的确不会影响基本属性，同时也说明图10靠右侧影响Vout的器件未受损伤。

设计实验和分析数据的结果可以判断Q7损伤符合故障现象。

4 分析结论及改善方案

4.1結论

故障三端稳压管损伤点为内部Q7晶体管，由于设计原因，三端稳压管的Q7晶体管极易受静电损伤，生产需要做好对于三端稳压管的静电防护。

具体解决方案为：

1）对比一些厂家稳压管设计图，某厂家增加R18电阻用于减少静电电流，如图15（数据显示该厂家稳压管故障率只有他厂家故障率的50%）；

2）可针对Q7晶体管本身材质提升抗静电能力，例如采用MOS管替代Q7晶体管；

3）稳压管外部电路增加静电保护，例如在稳压管使用方在稳压管输入端和地脚之间增加用于高频静电滤除电容（PF级别），可用于消除部分静电，减少静电受损的可能性。

参考文献：

[1]王新7800系列三端固定集成稳压器应用电路的可靠性设计[J].日用电器，2013，6（6）：1-4

[2]张武威.三端固定输出稳压器的原理和应用[J]家电检修技术，1999，5（9）2-4

[3]黄土生，杨柏峰模拟电路基础[M]北京：中国劳动社会保障出版社，2009：4-20endprint