：随着科技的飞速发展，电器设备的使用越来越广泛，功能也越来越强大，体积也越来越小，导致了对电源模块要求在不断增加。开关芯片在应用中失效，经分析为电路设计本身

　　现代电子设备对电源模块的工作效率、体积以及安全要求等技术性能指标要求越来越高，开关电源电路凭借良好的性能在电子设备中得到了广泛的应用。开关芯片作为开关电源电路的重要组成器件，决定了开关电源的质量。开关芯片在各种设备电源模块、以及家用电器均有使用。随着开关电源电路的大量使用，售后失效控制原因中因开关芯片导致的失效也是逐年呈上升趋势，每年因开关芯片失效导致失效的维修成本也在不断上升。

　　2020 年 7 月中国家用空调新能效标准发布，新能效实施对全球能效结构趋势的影响成为大家关注的焦点。从新实施的能效结构来看，未来新 1 级和新 3 级能效空调产品将是市场主导，尤其是新 1 级能效，预计市场份额还将持续扩大。变频空调开关电源电路使用开关芯片在实际应运中出现多单失效，严重影响产品使用可靠性，此问题急需进行分析研究解决。本文重点研究 PI 厂家开关芯片的可靠性及其失效机理，通过售后失效数据采集，对其进行专项优化整改。

　　现在市场使用的主流开关芯片厂家主要有美国的 PI 与 ON（安森美），以及日本的 SK。因其三个厂家开关芯片可靠性高、电路设计成熟、应用范围广等特点，在开关电源电路中得到大批量使用。开关芯片从 2014 年开始不断大批量使用以来，售后失效数量也在成倍增长。统计 2019 年开关芯片售后失效数据，见下表 1，主要是 PI 厂家失效，占比总失效数 73.8%，故障率高达 262PPM。ON 与 SK 厂家失效占比较少，故障率相对较低，通过数据显示 PI 厂家开关芯片失效尤其突出。

　　统计 PI 厂家开关芯片售后失效数据，最近两年出现失效增多，已经有 300 多单，主要失效 3 脚及弱电侧对地值小或短路。具体失效统计数据见下表 2。

　　开关电源是电源模块发展的根本，是电源发展的趋势，选用功率半导体元器件作为软启动开关，利用晶体管的占空比实现电路的导通和关断，以便对输出实现在不同工作下的稳定调整输出。

　　开关电源电路由 DC-DC 转换器，驱动器，信号源，比较放大器，负载等组成，图 1 是它的基础结构框图。开关电源不同于普通工频变压器电源，主要是通过在初级绕组回路中串入开关管，通过高频可调占空比地开关，从而使加在初级绕组两端的 HVDC 在电路中形成脉冲变化的电流，将能量通过磁芯传至次级绕组，再通过半波整流和滤波，配合电压、电流反馈，最终形成我们所需要的低压直流电源。

　　PI厂家TOP264（编码：7）与TOP267（编码：36008024）开关芯片引脚排布均相同，管脚功能描述相同，只是其功率不一样。各引脚外观图如图 2 所示。 PI 厂家 TOP264-271 系列开关芯片各管脚定义描述，见下表 3。

　　开关电源电路设计是一个完整的闭环电路，单个器件失效要从整个电路分析。出现开关电源芯片失效有可能是芯片本身问题，或者电路设计存在问题以及出现磁饱和。开关电源磁饱和与开关电源电路中器件配合有直接关系，开关电源芯片、高频变压器、输入电源、应用环境、测试过程等都是影响开关电源可靠性关键问题。一般磁饱和会导致芯片漏极产生瞬间过压冲击从而击穿 芯片，主要表现为芯片表面烧毁及炸裂，本次出现的失效模式与此有所不同，针对产生疑问进行分析验证。

　　对失效主板检测芯片 3 脚对地短路，3、4 脚短路，失效主板更换芯片测试正常，芯片集中在弱电侧失效，强电侧 MOSFET 没有击穿失效及受损现象。失效样品引脚 I-V 特性曲线 脚对芯片源极短路，其余引脚特性无异常。

　　观察内部结构，见图 4，对不良品进行 X-RAY 透视显示不良品焊线正常、弧度正常，通过观察未发现结构性异常。

　　取其中 5 个 故障样品进行开封观察内部结构，见图 5 所示，可以看到内部晶片有大面积过电烧毁的痕迹，未见产品晶元制造不良。

　　过载测试漏极瞬间开通电流峰值，通电 50 次测试最大电流峰值 1.8 A。稳定后平均电流值约 900 mA，通电 50 次测试平均电流值在 800 mA-1.2 A。测试波形如图 6 所示。

　　分析结果：经过对失效主板进行整机分析验证及过载波形分析测试确定电源芯片失效非磁饱和问题导致。实际开关电源漏极耐压设计余量充足。整体测试开通瞬间漏极峰值电流小于设计值 60%。

　　经过对芯片弱电脚进行 ESD 测试确定芯片 ESD 极限水平均超过 10 kV，综合评估非芯片 ESD 等级低。PI 厂家开关芯片售后失效分体机主板集中在 3 脚失效问题做 ESD 测试，施加最高电压 10 000 V，主板只出现芯片短暂复位，主板无失效，测试确认 ESD 放电回路设计合理，没有出现在光耦附近有放电现象，放电是在 K1K2 继电器位置。目前厂内主要使用 36008024 TOP267VG 和 7 TOP264VG2 款开关芯片，其中 TOP267VG 型号芯片主要使用在柜内机以及商用 机主板上，TOP264VG 型号芯片主要使用在分体内机主板上，从售后失效数据看这 2 款芯片均有失效，且集中在第 3 脚，其中 TOP264VG 型号芯片失效最为突出。

　　2 款芯片在电路设计上均在芯片 4 脚频率引脚 (F) 与 6 脚漏极引脚 (D) 之间开有避火槽，符合设计规范，具体见图 7。对比目前班组生产分体机主板（1），开关电源芯片 TOP264VG 第 3 脚经过 J2 跳线 脚上，无防护元件，电路设计上存在缺陷。柜机主板（5）开关电源芯片第 3 脚有 C76 片状电容 104 K/50 V 防护。

　　从生产过程排查情况看，其中 450 V/150 µF 电解电容在未使用放电板放电前残留电压较高在 3 V 左右，450 V/47 µF 电解电容残留电压较低，生产过程已均使用放电板放电后进行插装。功能自动测试均自带有放电电路，测试后电解电容残留电压低于芯片安全电压 3 V。

　　（1）ESD 放电回路最小间距点放电击穿问题，次级供电电路与开关芯片信号反馈电路测试点距离很近。

　　（3）光耦输出级短路隐患，自插光耦需要注意测试不能出现 3.4 脚短路隐患，光耦输出级短路开关芯片弱电失效概率很高。

　　图 9 所示测试植针点分布图，经查此 3 个位置范围内未植针，不存在短路隐患。FCT 测试工装在开关电源电路上无定点，不存在探针短路导致开关电源芯片失效隐患。

　　使用示波器对 5 主板 C126 电容进行验证，在电容接上放电回路在 640 ms 内电压从 15 V 放到 0 V，见图 10；不接放电回路，在 17 分钟电压还有 9 V 以上（开关芯片 36008024 控制接脚电压范围：-0.3 V— 9 V），见图 11。

　　分析结果：排查测试过程测试点分布未发现明显测试点短路隐患，测试工装对测试无完后，反馈光耦两端关闭，在不接放电回路情况下 C126 反馈端电解电容放电很慢，17 分钟都没下降到 9 V，电容长期带电存在很大隐患。

　　结论：分析开关芯片失效为过电损伤失效，非开关芯片本身异常。测试完后反馈端电容不能有效放电，电容部放在流水线或是人接触等因素会导致电容放电损坏开关芯片弱电引脚，导致开关电源芯片内部晶圆软损伤。分析此次开关电源开关芯片失效为设计缺陷导致，为应用电路设计不合理，没有对电解电容有效放电。

　　电解电容增加放电工装，对开关芯片电源电路次级输出供电光耦电路 47 µF 电容（5 主板对应是 C126）增加放电处理，见图 12，验证放电效果显著。此种放电影响测试效率，且放电工装与放电部点损坏短路也会导致开关芯片失效，不能有效监控，只能作为临时措施。

　　开关芯片集中在弱电侧控制端失效，弱电侧失效多数跟主板线路设计走线及过程 ESD、过程测试放电管理存在很大关系，分体机中 PI 的开关芯片电路设计存在不足，在主板测试。