探索天氣影響下的三極管異常現象

1、現象、問題描述：

板在環境試驗低溫存儲后（機框下電，-40°存儲24h，恢復到常溫25°，在25°條件下保持2h）上電，發現有4塊單板未正常啟動。監控單板電源，發現所有問題單板的5V電源異常（測試值為2.6V），而3V3、3V3_STBY、5V_STBY等電壓輸出正常；過了20分鐘后（未對問題單板進行插拔），問題單板都恢復正常。

下圖中5V異常，Q44沒有充分導通。

我們在低溫實驗之后，一直沒有找到規律。在實驗室復現的時候，噴上液氮模擬低溫，總覺得這個現象，時有時無。很難琢磨。后來郁悶至極，跟同事討論說：你覺不覺得跟天氣有關？天氣不好的時候，就容易出現這個現象？

情急之下，用手指抹了一下口水涂抹在三極管封裝表面。然后噴上液氮，問題復現了。

一個奇怪的跟天氣有關電路：

2、關鍵過程、根本原因分析：

圖1 ?5V&3V3控制電路

分析過程：

單板故障時，5V_STBY輸出正常，而5V輸出只有2.6V，分析圖1電路的MOS管Q44（15060203）可知，此時該MOS管的Vgs小于導通閥值Vgs(th)（查看器件手冊，低溫下Vgs(th)大概為2.3V，見圖2），處于未完全導通狀態。要使5V輸出正常，則Q44的G點電壓Vg（即VEN_5V_3V3）必須大于7.3V（5V+2.3V）；反之，單板出現故障時，VEN_5V_3V3 <7.3V。

圖1，3V3和5V輸出的MOS管G點使用同一個信號EN_5V_3V3來控制。單板發生故障時，3V3輸出正常，因此Q1的Vgs>2.3V；VEN_5V_3V3>5.6V(3V3+2.3V)。

根據上面的分析可知，由于VEN_5V_3V3處于5.6V~7.3V之間，導致單板5V輸出異常，3V輸出正常。以下對VEN_5V_3V3輸出降低的原因進行分析，圖3為分析過程。

圖2 MOS管Q44（15060203）Vgs曲線圖

圖3VEN_5V_3V3輸出降低原因分析過程

2.1 排除Q15（15050026）三極管處于放大區

理論分析：

當單板啟動時，SLP_S3會輸出3V3電平，此時Q14的ib=（3.3-0.7）/2K=1.3mA；按三極管處于放大區時hFE=100計算，ic=100*1.3mA=130mA，已經超過了ic的飽和電流1.2mA（12V/10K），因此，Q15的B點電壓應接近于0V，三極管應該處于關閉狀態，不可能處于放大區。而根據三極管的溫度特性（見圖4），溫度越低，三極管開啟電壓閥值越高，更不容易開啟。因此，理論分析，此時三極管Q15不是處于放大區。

實測結果：

單板故障復現時，實測Q15的B點電壓只有12mV，因此，三極管Q15不可能處于放大區。

圖4 三極管Q15（15050026）Ic電流曲線圖

2.2 排除三極管Q15的CE漏電流或MOS管Q1、Q44的GS漏電流導致

查看MOS管（15060203）數據手冊可知，MOS管的GS漏電流最大只有100nA（見圖5）。

圖5 MOS管（15060203）GS漏電流

查看三極管Q15（15050026）的CE漏電流最大為100nA（見圖6）。

圖6 三極管Q15（15060203）CE漏電流

從上可知，三極管Q15的CE漏電流或MOS管Q1、Q44的GS漏電流，最多使VEN_5V_3V3的電壓下降3mV（100nA*3*10K），所以也不是故障產生的根因。

2.3 確認漏電流往三極管Q15方向流

單板故障時，R382上有大概0.5mA（5V/10K）的電流流過，流往的方向只有兩個：I1或I2方向，如圖7所示。通過下面操作來確認漏電流流向。

操作方式如下：

1、用液氮對Q15降溫操作，故障復現，VEN_5V_3V3逐漸降低時，檢測到的電流I2逐漸增大，而電流I1始終為0。

2、用液氮對Q1、Q44降溫操作，多次降溫，未發現VEN_5V_3V3輸出降低。檢測到的I1 、I2電流都為0。

由此可以知道，三極管對低溫敏感，造成單板故障。且單板故障時，R382上的電流都是往三極管Q15上流的。

圖7 I1 、I2電流檢測

2.4 分析三極管Q15產生漏電流的原因

1、懷疑三極管Q15上拉的電壓（12V）過高；

2、三極管封裝封裝雜質；

3、懷疑是三極管本身的特性造成，改用相同封裝的MOS管代替。

造成單板故障是三極管Q15在低溫下引起，且R382上產生的電流都是流向Q15。因此為排查其他因素的影響，對單板上的電路做如圖8處理：斷開后級的Q1和Q44（去掉100歐姆電阻）；將Q15B點的直接拉地。

2.4.1排除三極管Q15上拉的電壓（12V）過高；

為了驗證該問題是否是Q15的C點上拉電壓過高引起，因此將上拉電壓從12V改為5V，用液氮對Q15進行降溫處理。

圖8 上拉電壓更換為5V

結果：VEN_5V_3V3仍然會出現下降，因此，可以排除三極管Q15上拉的電壓過高因素

2.4.2排除三極管封裝雜質因素

此前其他產品線出現過MOS管器件內部污染導致漏電流超標的問題，但此類問題屬于批次問題。將Q15更換為不同批次和不同廠家的三極管（15050026）進行測試，發現現象依然存在。因此，排查三極管封裝雜質因素。

2.4.3懷疑三極管自身特性造成

其他單板類似電路在Q15處用MOS管(相同封裝)代替，因此，懷疑是否是三極管自身的特性引起，于是用相同封裝的MOS進行代替，并進行液氮降溫測試。

圖9 將Q15更換為同封裝的MOS管

故障仍然存在，VEN_5V_3V3在低溫下，從5V開始跌落，最低跌落到2V以下，且保持時間超過15分鐘以上。排除三極管自身特性造成。

圖10 VEN_5V_3V3 在低溫下下降到1.44V

2.4.4確認是SOT23封裝的三極管和MOS管在低溫下阻抗減小導致

測試故障單板上MOS管Q15的DS阻值，發現只有7K；而單板正常時測試到的DS阻值為41K，因此懷疑是低溫導致SOT23封裝的MOS管DS阻值、三極管CE的阻抗變小，和上拉的10K電阻產生分壓，導致輸出VEN_5V_3V3降低。

為驗證在低溫下SOT23封裝的MOS管DS阻抗、三極管CE阻抗會變小，取多個三極管、MOS管器件（SOT23封裝，未焊在板上），用液氮進行降溫，測試三極管CE、MOS管DS的阻抗。

降溫前，測試到的阻抗為無窮大（100M歐以上）；降溫后，測試到的阻抗會降低，測試到的最小阻抗只有10K。

因此，可以確認是SOT23封裝的三極管和MOS管在低溫下阻抗減小，和上拉的10K電阻產生分壓，導致輸出VEN_5V_3V3降低。

廠家已承認有這種問題，在低溫、高濕度的環境下，SOT23封裝的三極管和MOS管的阻抗會減小。

3 結論、解決方案及效果：

結論：在低溫、高濕度情況下，SOT23這類小封裝的三極管（或者MOS管）會呈現低阻抗特征，和上拉的10K電阻產生分壓，導致VEN_5V_3V3輸出變低。當三極管Q15的CE阻抗降低到小于14K時，由于分壓，VEN_5V_3V3輸出會小于7V，使5VMOS管的Vgs電壓小于MOS管的導通要求，導致5V輸出變低。