【案例1.8】低溫下電子設備啟動異常

某產品在低溫條件下，底層驅動軟件在初始化電機控制電路過程中，偶爾遇到死機現象。

【討論】

通過監測低溫下元器件工作電壓的波動，確定故障原因是控制電路上有一顆芯片采用 了液態電解質鋁電容作為濾波電容。電機啟動中會產生很大的負載電流波動△I，而鋁電解電容的液態電解質在低溫下狀態改變，導致電容的 ESR（Equivalent Series Resistance），等效串聯電阻)大幅度增大，根據△V=△I×ESR，使芯片電壓產生很大的波動，導致出錯。低溫測試時，由于電壓波動峰-峰值恰在限值附近，所以故障表現出偶發性。

【擴展】

鋁電解電容手冊上的ESR通常是在常溫（多數廠家定義常溫條件為20℃或25℃）下定義的。若設備的工作環境溫度較低，需注意ESR 會增大很多倍。筆者曾經利用測試儀器對電路板上的一顆標稱值為0.22Ω（標稱值的測試條件：注入能量的頻率為100kHz, 環境溫度為20℃）的鋁電解電容進行測試，測試頻率為100kHz, 環境溫度為20℃時，ESR測試結果為0.28Ω,接近標稱值；但在環境溫度為-20℃時，ESR測試結果為6.3Ω。可以看出，對于液態電解質的鋁電容，ESR是隨著溫度的降低而急劇變大的。并且，根據測試結果，在低溫下，這個參數的元器件間偏差非常大。

所以，在設計中，需注意以下三點：

①了解所使用的元器件，哪些參數會明顯隨著溫度而變化。

②了解參數隨溫度變化的趨勢。

③通過仔細閱讀元器件手冊，了解在這種溫度變化趨勢下，元器件的參數偏差是否 會變得很大，以至于在手冊中無法定義。

第③點是重要而又容易被忽略的。有一些善于計算的工程師，喜歡通過計算來估計電 路工作的邊界。本案例中，根據電容的 ESR, 結合負載波動電流△I，可以估算出在電容上產生的△V。但由于ESR 會隨著溫度而變化，特別是，在低溫下，元器件間的ESR 偏差 很大，這就對計算結果造成了很大不確定性。所以最終計算出的△V極限值，看似準確實則不準確，工程師反而容易被計算值所誤導。

這種情況下正確的做法是，衡量某電容的 ESR對設計的影響。若影響很大，而 ESR的極限值又無法被準確評估，則應在設計中規避此元器件的使用，更換其他參數值穩定的元器件。

在本案例中，負載電流△I波動較大，所以應規避使用 ESR 隨著溫度變化劇烈，且在低溫下參數值偏差很大，無法準確估量 ESR 極限值的液態電解質鋁電容，而改用ESR較穩定的有機聚合物固態鋁電容。

以上案例來自電路設計領域知名專家-王老師《高速電路設計進階》著作內容其一案例！