干货分享 |  盘点电子产品中的短命鬼(中篇)

甘国兴 2018-03-28 09:09:02

上次我们盘点了电子产品中的短命鬼的上篇,包括:大容量电容;超级电容;光耦;继电器;纽扣电池;


本周,我们继续盘点一下电子产品中的短命鬼,以及这些短命鬼的寿命估算方法。包括:

  1. Flash;

  2. 可充电锂电池;

  3. 气体放电管

  4. 自恢复保险管;

  5. MOS管;


一、 Flash

Flash 按照存储单元的构造,可以分为SLC、MLC、TLC三种 。


SLC = Single-Level Cell  1bit/cell,速度快寿命长,约10万次擦写寿命;

MLC = Multi-Level Cell  2bit/cell,速度一般寿命一般,约10000次擦写寿命

TLC = Trinary-Level Cell 3bit/cell,也有Flash厂家叫8LC,速度慢寿命短,约1000次擦写。


SLC、MLC、TLC三种闪存的MOSFET是完全一样的,区别在于如何对单元进行编程。SLC要么编程,要么不编程,状态只能是0、1。MLC每个单元存储俩比特,状态就有四种00、01、10、11,电压状态对应也有四种。TLC每个单元三个比特,状态就有八种了(000、001、010、100、011、101、110、111)。SLC=Single-LevelCell,即1bit/cell,速度快寿命长,价格超贵(约MLC3倍以上的价格),约10万次擦写寿命 ,MLC=Multi-LevelCell,即2bit/cell,速度一般寿命一般,价格一般,约3000---10000次擦写寿命 ,TLC=Trinary-LevelCell,即3bit/cell,也有Flash厂家叫8LC,速度相对慢寿命相对短,价格便宜,约500~1000次擦写寿命。


 简单地说SLC的性能最优,价格超高。一般用作企业级或高端发烧友。MLC性能够用,价格适中为消费级SSD应用主流,TLC综合性能最低,价格最便宜。但可以通过高性能主控、主控算法来弥补、提高TLC闪存的性能。

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图1 :SLC、MLC、TLC 类型对比


了解了上述的三种闪存类型,就回到我们最关心的寿命问题,我们以最短命的TLC颗粒为例,估算其寿命,假设:

(1) 某TLC类型的Flash容量为64MB;

(2) 每次写入的数据为4KB(为了增加Flash的使用寿命, Event Log与Data Log等数据都是先存放在内存中, 待存放到4K时, 才写入到Flash中, 以后每4B写入一次,这里的4KB只是举例,不同的驱动程序不一样)

(3) 每间隔1分钟写一次数据。

则寿命的计算为:

  • 区块=64000KB/4KB=16000个;

  • TLC寿命按照1000次计算,则总共可写入次数为16000*1000=16,000,000

  • 换算成年为:16,000,000/(1分*60时*24日*365年)≈30年。

所以,Flash的寿命主要和擦写次数有关,可以认为寿命和读的次数无关,如果用于频繁写入的场合,例如视频录像,最好还是使用MLC级别以上的Flash。


二、锂电池
 把锂电池放到短命鬼的队列实在是“实至名归”,因为这货的寿命只有300~500次循环使用寿命。计算锂电池的寿命,我们需要先了解2个定义:


1.锂电池寿命定义:充满电时电池容量降至额定容量的 80%(部分厂家定义为60%) 时,电池寿命终止,低于 80% 充电容量时,尽管工作时间缩短了,但是电池仍然能够提供可用功率。


2.锂电池寿命指标:充电循环次数:锂电池寿命的主要指标是充放电的循环次数,其定义为:标准充电技术后,静止0.5~1小时,在25℃环境下,以0.5C放电到终止电压以后,再进行下一个循环容量衰减到初始容量的60%,所完成的循环次数定义该电芯的循环寿命。

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图2 :国内某知名电池厂家的寿命定义


例如,上述厂家的锂电池寿命定义为≥500次,假设一次完全放电提供的电量为1Q,如不考虑每个充电周期以后电量的减少,则锂电在其寿命内总共可以提供或为其补充500Q的电力。由此我们知道,如果每次用1/2就充,则可以充1000次;如果每次用1/3就充,则可以充1500次。以此类推,如果随机充电,则次数不定。总之,不论怎么充,总共补充进500Q的电力这一点是恒定的。所以,我们也可以这样理解:锂电池寿命和电池的总充电电量有关,和充电次数无关。深放深充和浅放浅充对于锂电寿命的影响相差不大。那么,某些MP3厂家宣传时说,“某某型号MP3使用强悍锂电池,可充电1500次以上。这就是纯粹地欺消费者无知了。


三、气体放电管

气体放电管是一种开关型的保护期间,工作原理就是气体放电,当两极之间的电压足够大的时候,极间的间隙将放电击穿,由原来的绝缘状态变成到点状态,导电时候两极的电压很低,只有20~50V,因此可以保护后级的电路,气体放电管的主要指标有;响应时间、直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量、绝缘电阻极间电容、续流遮断时间。在防雷电路的设计中,应注重气体放电管的直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量等参数值的选取。设置在普通交流线路上的放电管,要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作,则它的直流放电电压应满足:min(mc)≥1.8udc式中。min(mc)为直流击穿电压;udc 为正常运行电压的峰值.气体放电管主要可应用在交流电源口相线、中线的对地保护,直流电源口的工作地和保护地之间的保护,信号口中线对地的保护,射频信号馈线芯线对屏蔽层的保护.气体放电管的失效模式大多数为开路,因电路设计原因或者其他因素导致放电管长期处于短路状态烧毁时,也会引起短路的失效模式,气体放电管的寿命相对较短,多次冲击以后性能就会下降,同时其他方低昂在长时间使用会有漏气失效这种自然失效的情况,因此气体放电管构成的防雷电路在长时间使用以后存在维护和更换的问题。一般厂家定义气体放电管的寿命位100~500次(10/1000uS条件)

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图3 :国内某知名厂家气体放电管的寿命评估


四、自恢复保险管

不可恢复的保险管一次故障就报废了,不在此讨论范围之内,本文主要讨论自恢复保险管的寿命问题。PTC一般的分类有两种,一种是陶瓷类的PTC电阻,它是正温度系数热敏电阻,有在过流保护,消磁,加热器等都是使用陶瓷类的PTC,另一种是高分子有机PTC,这就是我们常说的自恢复保险丝,自恢复保险丝( PPTC:高分子自恢复保险丝)是一种正温度系数聚合物热敏电阻,作过流保护用,可代替电流保险丝。电路正常工作时它的阻值很小(压降很小) ,当电路出现过流使它温度升高时,阻值急剧增大几个数量级,使电路中的电流减小到安全值以下,从而使后面的电路得到保护,过流消失后自动恢复为低阻值。其效果与开关元件类似,只是响应速度较慢。它有三种封装形式:引线型、薄片型(带型)和贴装型。

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图4 :常见的3种自恢复保险管


PPTC--聚合物自复保险丝由聚合物基体及使其导电的碳黑粒子组成。由于聚合物自复保险丝为导体,其上会有电流通过。当有过电流通过聚合物自复保险丝时,产生的热量(为I2R)将使其膨胀。从而碳黑粒子将分开、聚合物自复保险丝的电阻将上升。这将促使聚合物自复保险丝更快的产生热、膨胀得更大,进一步使电阻升高。当温度达到125°Ct Specialist f of e Overvoltage  Protector时,电阻变化显著,从而使电流明显减小。此时流过聚合物自复保险丝的小电流足以使其保持在这个温度和处于高阻状态。 当故障清除后, 聚合物自复保险丝收缩至原来的形状重新将碳黑粒子联结起来,从而降低电阻至具有规定的保持电流这个水平。上述过程可循环多次自恢复保险丝材料本身是不易老化的。自恢复保险丝器件老化现象是由于器件两端金属电极与自恢复保险丝材料之间结合部紧密程度有关。自恢复保险丝有严格的碾压工艺控制,保证自恢复保险丝处于85摄氏度和85%相对湿度的严酷环境下,1000个小时性能不会退化。在经历许多次动作后,自恢复保险丝电阻值会高于初始电阻,当电阻值超过最大动作后电阻参数R1max后,其失效表现为性能参数下降或者断路。


保证器件在保持电流IH下不动作。失效动作次数与PPTC每次动作之后的恢复时间有关,恢复时间越长,可承受的次数越多。自恢复保险丝测试条件为每次动作后120秒恢复,1000个动作循环后,性能有保证。自恢复保险丝可能失效情况有:许多次动作、持续长时间动作、电压超过额定工作电压Vmax、故障电流超过额定动作电流Imax.其失效表现为性能参数下降或者断路。


综上所述,自恢复保险的寿命还是很长的,一个产品要是有1000次以上的短路故障,要么就是设计者的技术烂到极限,要么就是用户对产品的仇恨到极限。


五、MOS管

电子行业中有一说法:Mos管都是被杀死的,而不是老死的。为什么有这种说法呢,我们要从MOS管的材质和原理说起,mos管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。在一定结构的半导体器件上,加上二氧化硅和金属,形成栅极。MOS管的source和drain是可以对调的,都是在P型backgate中形成的N型区。MOS管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少,以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时,通过工艺使绝缘层中出现大量正离子,故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷,这些负电荷把高渗杂质的N区接通,形成了导电沟道,即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时,沟道内被感应的电荷量也改变,导电沟道的宽窄也随之而变,因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

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图5:MOS管工作原理图


了解了上面MOS管的工作原理原理,我们梳理一下MOS管的6种死法:

1. 雪崩失效(电压失效),也就是我们常说的漏源间的BVdss电压超过MOSFET的额定电压,并且超过达到了一定的能力从而导致MOSFET失效。      

2. SOA失效(电流失效),即超出MOSFET安全工作区引起失效,分为Id超出器件规格失效以及Id过大,损耗过高器件长时间热积累而导致的失效。

3. 体二极管失效:在桥式、LLC等有用到体二极管进行续流的拓扑结构中,由于体二极管遭受破坏而导致的失效。

4. 谐振失效:在并联使用的过程中,栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效。

5. 静电失效:在秋冬季节,由于人体及设备静电而导致的器件失效。

6. 栅极电压失效:由于栅极遭受异常电压尖峰,而导致栅极栅氧层失效。


由于MOS管在电路中所处的环境基本是最恶劣的,且MOS管优势很容易受外部环境破坏的器件,所以,其寿命是很难估算的,一般认为,只要没有过压、过流、过温,可以认为其寿命是无限的,设计者更应该从如何保护MOS的方面着手。


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