換掉所有晶片了還是修不好,問題出在哪?

作者 : Glen Chenier,EDN專欄作者

為了消除過載的可能性,我卸下了橋式整流器。電路仍在發生間歇振盪。由於有缺陷的元件都更換了,因此問題是否可能出在磁性元件上?

一開始,本來也沒什麼大不了的。大約在1985年,客戶送來一款電信公司仍在使用的待測設備(DUT),這是一款遙控操作的電話雙絞線分析儀。由於其OEM已在幾年前停業,因此交由我們對其中的幾台進行了大規模的反向工程和維修。由於客戶對我們以前的工作感到非常滿意,因此最近又給了我們另一批這種「古董」進行維修。

由於我是最初負責這項反向工程的「主題專家」(SME),公司把這項專案交給我。於是我拿出筆記,嘗試回憶兩年前曾經研究過的東西——電源問題,還算容易修復。這是一款簡單的DC-DC轉換器,沒有穩壓反饋:它將-48V輸入連接到推挽式中心接線降壓變壓器,經過線性穩壓至±15Vdc和+5Vdc輸出。

幾個電阻被燒焦了;一個集電極發射極箝位二極體發生了短路;7815和7915線性穩壓器對地發生了漏電(所幸這也讓負載電路免受損壞);五個電解電容變乾了,在示波器上測量為開路。非電解電容均測試良好。為了預防起見,我更換了所有的電源晶片——即使那些電源晶片經測試仍然良好,因為已能承受應力,但現在仍然可能易於發生故障。

TIP51 NPN BJT推挽驅動器電晶體已經過時,很難找到替代品,但我最終還是找到了電氣性能合適的NTE394。相較於最初的TO-218,其封裝是較大的TO-249,但採用了相同的螺栓散熱器連接樣式,所有機械尺寸看起來都沒有問題。這個例子中將金屬底座外殼本身用作散熱器。

最初的TIP51電晶體使用了符合橡膠要求的導熱絕緣片和塑料肩形墊片,將其集電極法蘭與底座進行電氣隔離,但是這種絕緣片體積太小,無法與新電晶體一起重複使用。每個NTE394都帶有一個大雲母絕緣片,需要在絕緣片的兩側散佈一層薄薄的導熱膠,從而實現充份的導熱。我們的零件庫存中存放了某種類型的導熱油脂——Arctic Silver 5——因此就直接拿來使用。起初,我有點擔心,因為這種潤滑脂是由懸浮在「高級聚烯烴合成油」中的微小銀顆粒組成的,但其數據手冊卻說它不導電。與新的NTE394一起提供的雲母絕緣片看起來有些破舊,在運送過程中因為彎曲而弄皺了,但仍然是一件產品,所以也直接使用。

出於謹慎,我用20V而不是正常的48V進行了首次啟動測試——僅當DUT不冒煙時,煙霧測試才算成功(也許應該稱為防煙測試)。示波器上顯示某開關電晶體的集電極上出現了幾秒鐘的振盪(太好了!),然後突然又停止了振盪。然後在較高的電壓時上電會出現「間歇振盪」,即如圖1所示的幾個週期的短時振盪,然後暫停幾毫秒後又出現重複。

圖1:每隔幾毫秒重複一次的間歇振盪。Vin為-48V。

那個電源使我陷入了徒勞的尋找中。為了繼續在較低的20V電壓下進行測試,我暫時減小了46K4的基極偏置電阻,以便再次實現這種間歇振盪,希望不會發生任何爆炸。然而,我接著就遇到了最令人沮喪、費力和痛苦不堪的除錯經歷。

即使把基極偏置電阻降低,這種間歇振盪也不會與電源電壓一致。有時它會在18V的電壓下開始發生間歇振盪,有時直到30V才開始。在未發生間歇振盪時,它僅消耗約10mA電流,兩個推挽電晶體幾乎都未偏置在導通狀態,因此顯然沒有元件短路。

圖2:電路看起來好像很簡單,問題出在哪呢?

為了消除過載的可能性,我卸下了橋式整流器。電路仍在發生間歇振盪。由於有缺陷的元件都更換了,因此問題是否可能出在磁性元件上?主變壓器T1 (裝在金屬外殼中的客製元件,現在已淘汰)沒有多餘的備件,但T2是在環形磁芯上繞幾匝電磁線製成。是否有線圈短路?磁芯是否因先前的故障不知何故而被磁化飽和了?於是我把它從PCB取下來,然後使用圖3的電路測量其電感。

圖3:利用示波器和方波函數發生器測量變壓器電感。有關詳細資訊,請參見W2AEW的YouTube短片。

圖4:DUT變壓器的響應。在C=1nF的情況下,電感使用公式L = 1/[(2πf)2 C]計算為21.3µH。

圖4看起來還不太糟,但即使在未載入所有繞組的情況下,其阻尼也相當大。將初級繞組的另一半短路,會使電感急劇下降,這說明沒有線圈短路。

由於涉及的是低電壓,變壓器不太可能在實際運作條件下發生故障,而且環形磁芯不導電,因此不會受到高壓(雷擊)突波的破壞。但是仍然可能存在磁芯磁化的問題或看不見的裂紋。然後,由於我的廢料箱中還有一些大小大致相同的環形磁芯,因此對其中的一些纏繞了相同匝數的線圈。雖然並不知道最初的磁芯材料類型,但我臨時嘗試的這個辦法已接近完成,請參見圖5。

圖5:仍為1µs/格,Amidon FT-50A-77環形材料具有更大的電感(85.9µH),但在其他方面也合適。

遺憾的是,間歇振盪又開始了,於是我將最初的T2放回到PCB上,然後將其他的變壓器放回廢料箱中以備將來使用。

我將主變壓器T1從PCB上取下來,進行了類似的測試。將另一個繞組短路,再次使電感發生急劇下降,從而顯示變壓器內部沒有線圈短路。但是,在較高電壓的正常工作情況下會怎麼樣?

注意(在圖2中)T1繞組與82R5電阻和0.1µF電容串聯在一起。我把這個支路斷開,插入(串聯)了一個小型變壓器(Midcom50398,在我廢料箱中的另一個工件),然後用函數產生器產生的方波來驅動它。這迫使電路進入連續運作狀態,因而能夠更好地了解該間歇振盪的靜噪情況。串聯的0.1pF電容可對方波進行差分,限制電晶體導通時間的佔空比,希望能將它設置到某個安全值,而不至於在連續運作條件下使電晶體發生爆炸。

我用一些鱷魚夾電線將T1重新連接至電路。為了測量電晶體和變壓器的電流,先將一個1Ω的電阻插入電路的發射極支路,然後將第二個129µH扼流圈(也就是與二極體和27Ω電阻並聯在一起的那個)短路,以便消除它的影響。然後,當1Ω電阻兩端的電壓下降時,就可以在示波器上讀取電流。由於變壓器電感空載,應該可以看到每個電流脈衝都有一個上升緣。但是,我看到的是圖6的結果。

圖6:看起來,T1初級電流並未按預期那樣上升。

T1出了什麼問題嗎?

由於無法取得另一個相同類型的T1,因此我從廢料箱中報廢的PCB取下一個電感值大致相同的共模扼流圈,用於臨時測試。共模扼流圈上有兩個相同的繞組,因此可以很好地替代DUT T1中心接線的空載初級線圈,從而驗證我的測試設置。我從電路上拆下了最初的T1,然後使用相同的鱷魚夾電線將該扼流圈臨時插入到DUT中。

結果令人大開眼界。請見圖7和圖8。

圖7:用共模扼流圈代替T1,Q2接通時並無變化,但是當Q1接通時電流很理想地開始傾斜了。

圖8:無法解釋上述的情況。為什麼只有Q1達到期望的電流斜坡?

與初始變壓器不同的是,共模扼流圈負載在兩個推挽驅動電晶體之間顯示出截然不同的開關特性。交換扼流圈沒有影響,問題一直存在於Q2上。很明顯地,電路的Q2部份出了問題。

最終有了一條可靠的線索,我再次用歐姆表戳了戳。Q1和Q2的集電極到底座的電阻值均為21.5Ω。我立即發現了罪魁禍首——很可能是先前檢查過在T1中心接線和底座之間的1μF電容。但卻不是——將那個電容從PCB上拔下來沒有任何區別。儘管歐姆表上有數值顯示,但電路中沒有其他地方連接到底座。

然後我產生了高度地懷疑,在仍然連接歐姆表的情況下,我將Q2的安裝螺釘退了大約四分之一圈。歐姆表的數值跳到了約8kΩ。再將Q1的安裝螺絲鬆開,歐姆表跳到了無窮大,也就是開路。

不知何故,電晶體的集電極安裝法蘭通過雲母絕緣片在底座發生漏電。我知道絕緣片已經彎曲產生一個小摺痕,但是即使絕緣片的裂縫確實出現了完全穿透,也不會引起任何問題,因為導熱油脂是不導電的——數據手冊是這麼說。

再看看數據手冊怎麼說。如果將導熱油脂塗在PCB板上,那麼它是不導電的。它用於將散熱器連接到CPU——當將散熱器安裝到BGA上時,我們的工作人員會使用這種油脂。在這個應用中,即使它是導電的也不會有問題。

但是數據手冊卻沒有說,在用螺釘將電晶體法蘭固定到散熱器上時,在高得多的壓力下,油脂受到壓縮會發生什麼情況。還記得潤滑脂的油性成份當中浸有微小的銀顆粒嗎——如果將這些銀顆粒緊緊擠壓,它們會發生相互接觸嗎?如果是這樣,那麼當將這種油脂擠入到完全穿透雲母絕緣片的裂縫中時,就可能引起我所看到的問題。

於是我向Arctic Silver公司發送了電子郵件,幾個小時後接到了一個電話。是的,他們確認該產品在受到壓力的情況下會發生導電。

我接著取得了另外兩個完整的雲母絕緣片和一些不含銀顆粒的實際導熱油脂。當然,在那以後就再也沒有問題了。

(參考原文:Chasing wild ghosts,By Glen Chenier)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年4月號雜誌

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