某半导体设备二次上电跳闸问题浅析

近日，有半导体设备客户向我们反馈其设备中应用多台电源供电，在实验室测试验证过程中面临输入跳闸问题。因为该半导体设备对生产效率，可靠性和使用寿命的高要求，客户担心是否存在隐患，导致整体供电系统功能降级甚至带来更严重的后果。

是什么原因导致设备面临二次上电跳闸问题呢？下面我们尝试简要分析引起跳闸问题的原因、对策和对电源产品和供电架构选择的一些思考。

一. 问题描述：

用户的半导体设备采用多台开关电源供电，当半导体设备输入断电后马上二次上电，较容易引发实验室内输入侧空气开关跳闸。如果设备断电后等待数秒钟以上，再次上电就不会引发跳闸现象。

二. 原因分析：

经验表明，工业设备断电后马上送电引起的跳闸现象多数为输入侧二次启动冲击电流（Secondary InrushCurrent）导致。

为了降低启动瞬间输入侧高压电解电容充电引起的冲击电流，开关电源一般均内置输入冲击电流抑制功能。小功率电源业内常见的方案是通过内置负温度系数的热敏电阻（NTC）来抑制启动冲击电流。中大功率开关电源受功耗限制，普遍采取有源冲击电流抑制方式，待冲击电流抑制动作完成后，再驱动有源器件旁路掉功率电阻，实现降低功耗目的。

下图一为某中大功率开关电源内部框图。如图一红色方框所示，有源冲击电流抑制电路串联于功率因数校正（PFC）电路上，用来限制输入上电启动瞬间带来的冲击电流。

图一

考虑到大功率电源产品的可靠性和长期使用寿命，正常工作时必须确保有源旁路器件始终处于导通状态，可靠地旁路掉串联回路上的功率电阻，以实现整机功耗最优化。

受电磁兼容法规限制，工业级电源需要满足电压暂降和短时中断（常见标准 SEMI F47, IEC61000-4-11 或GB/T 17626.11）测试要求。开关电源内置有源冲击电流抑制电路在输入短时中断期间将尽可能维持导通状态，避免功率电阻抑制能量传递，导致电源输出能量受限，无法通过法规要求的测试。

受产品功耗，效率，寿命和电磁兼容法规等限制，中大功率开关电源内置有源冲击电流抑制电路选择在短时间内（典型值为数百毫秒）处于强制导通状态。

当电源输出保持一定负载时，输入短时掉电后，电源内部高压电解电容将被快速放电至欠压保护点。若很短时间内输入再次上电，因为电源输入侧和内部高压电解电容之间存在较高压差，且处于强制导通状态下的有源冲击电流抑制电路阻抗很低，所以容易带来较高的二次冲击电流。

当电源处于轻载或空载工况时，其内部高压电解电容尚存较多能量，可以确保高压电解电容维持较高的电压水平。因此，即使输入中断数百毫秒后再次送电，也能一定程度上缓解了二次冲击电流峰值。下图为半导体行业中常用的我司大功率电源HWS1500系列在输入 200VAC输入时，短时中断产生二次冲击电流的典型测试数据。横轴为输入断电后二次上电的时间间隔，纵轴为二次上电引发的冲击电流峰值。其中处于图二所示上方的实线和点横线分别为满载和半载工况，最下面的虚线为空载工况。

图二

从图二所示曲线可以看出，输入短时中断后二次上电将引起较高的二次冲击电流。若输入断电状态维持在 1S以上，二次冲击电流峰值将明显降低。

常规应用中，大功率电源在短时间输入中断时不可避免存在二次冲击电流，考虑到内部高压电解电容残余能量，实际二次冲击电流脉宽较窄，只要输入侧空气开关型号配置得当，不容易导致输入跳闸。

考虑该应用为多台电源用于同一套设备，输入短时中断造成的二次冲击电流存在叠加可能。若设备输入侧的空气开关的容量不足，很可能在输入短时中断后的二次上电时触发保护，引起跳闸现象。

三. 解决对策：

对策 1：更换合理的前级输入侧空气开关。

设备前级输入侧空气开关同时具备过载保护和短路保护功能。其中过载保护通过热脱扣来实现，这属于慢速保护，典型动作时间约 0.1 秒到 1 秒钟。短路保护属于磁脱扣范畴，这是一种快速保护方式，其典型脱扣时间为15mS 到 100mS。

针对工业级半导体设备输入侧空气开关，若不考虑断电后一秒钟内二次上电，一般在输入侧配置 C特性空气开关。若客户期望断电后极短时间内二次上电也不会脱扣，建议选择抗磁脱扣能力更强的D特性空气开关。客户也可以根据自身实际情况，联系空气开关供应商了解各种特性脱扣曲线相关的详细内容，选择更合理的配置。

即使输入短时中断后二次上电过程中存在较高二次冲击电流，TDK旗下 TDK-Lambda品牌的中大功率开关电源也能满足自身各类设计指标，维持一贯的高可靠性和长寿命特色。

对策 2：采取多路输出电源或解决方案供电

TDK-Lambda 可提供多种高可靠性长寿命的多路输出电源方案。因为该方案只需要一路 AC 输入，所以输入侧漏电流、启动冲击电流、短时中断二次冲击电流和 EMI 等压力都明显降低。

下一期，我们将向大家详细介绍半导体设备中高可靠性多路输出供电方案，敬请期待！

对策 3：变更输入分线盒架构，采取异步上电方式。

若客户期望进一步降低整机二次冲击电流，也可通过输入分线盒改进配线。但是这将带来体积、成本和电磁兼容风险上升。

解决低概率现象的同时，造成成本、体积、和电磁兼容等风险上升，尚需进一步深入评估。

四. 小结与思考：

大功率电源输入中断后再次上电时引发的二次冲击电流现象并非故障，这是能量守恒客观物理规律导致。这也是产品可靠性、功耗最小化，长寿命设计和满足电磁兼容法规限制下的合理折衷方案。

在实际使用过程中，半导体设备的输入空开配置容量普遍要高于一般测试实验室，因此不太容易在客户端实际应用中遇到类似问题。

在国内半导体需求持续爆发和国产替代蓬勃发展的大背景下，半导体制造和封装测试的产能都随之大幅度增长。这对半导体设备的需求也与日俱增，同时也对半导体设备中核心基础供电部分提出新的要求。除了选择合理的架构和电源方案之外，前期充分且高效沟通的重要性也上升到前所未有的高度。

审核编辑：郭婷