作者：郑沛坤
很多功率IC的失效根源来自于EOS(Electrical Over Stress)，尤其是IC的电源输入引脚。电源输入引线的热插拔过程中造成的瞬态，引线电感和输入电容参与的LC震荡和不合理的元件布局是电源IC的VIN引脚EOS失效的元凶。为避免由此造成电源IC的EOS失效，可以通过添加额外的电解电容、添加额外的TVS管、增强电源引线耦合和优化元件布局的方式来改善。
工作电压范围
大多数Power IC都有一个工作电压范围，由低到高可以划分为Operating region(工作电压、Absolute maximum rating(最大承受电压)、ESD rating等不同区间，以MP9928为例，最大工作电压是60V，最大可承受电压为65V，如图2所示。
热插拔
热插拔在实际工作中十分常见的操作情况，尤其当供电电源具有较长导线时，将会对受电端的Power IC造成显著的影响。另一方面由于对成本和体积的追求，Power IC的输入电容通常会采用体积更小、寄生电阻更小的陶瓷电容(MLCC)。热插拔过程中的等效电路如图3所示。
假设引线等效电感为1.5uH，两个10uF的陶瓷输入电容在12V电压偏置下衰减为5uF，Power IC的等效输入电阻为10k。上电瞬间Power IC的输入电压波形如图4所示。LC震荡频率由导线等效电感和输入电容决定，由于导线等效电阻太小，LC震荡通常处于欠阻尼的状态，超调量较大，输入电压的峰值可达输入电压的192%以上，造成Power IC的输入PIN脚的过压损坏。
不良布局
进一步的，如果元器件尤其输入电容的位置放置的不对，在输入电容之间引入额外的寄生电感，为凸显效果，假设额外引入的寄生电感为1uH，如图5所示。热插拔过程中造成的输入电压的震荡情况将更加恶劣，如图6中蓝色波形所示，Power IC的输入处甚至可能出现负压，直接造成IC的EOS损坏。
解决方案
输入电容中添加额外的电解电容：
相比陶瓷电容，电解电容具有较大的寄生电阻，相当于给热插拔过程中的LC震荡增加了一个RC snubber，如图7所示。削弱LC震荡的超调量和震荡频率，如图8所示，添加额外的电解电容后，输入电压的峰值降低到158%左右，震荡时间大大减小。
添加额外的TVS管
选择的TVS管需要满足以下两个条件：
- BreakDown电压高于正常工作电压，低于Power IC的保护电压；
- TVS所能吸收的浪涌功率高于实际应用。
如图9和10所示，选取BreakDown电压为13V的TVS管后，可以削弱LC震荡的超调量到127%左右。
增强电源输入线之间的耦合
电源输入的火线和地线之间的良好耦合，可以分别在火线和地线上产生极性相反的寄生电感，如图11所示。不同导线之间的耦合程度不同，如图12所示，选择耦合程度较好的导线，可以削弱LC震荡的超调量到145%左右，如图13所示。
总结
在Power IC对输入电压范围要求较为严苛时，可同时采用以上几种措施来应对热插拔瞬态造成的Power IC的输入电压的震荡，保护Power IC免受EOS损坏。同时可根据成本和空间的不同要求而采取不同的保护措施。
参考文献：
- Analyzing VIN overstress in Power ICs, RICHTEK Application Note.