9013封装变更后（TO92换为SOT23），电磁阀无法动作

登录 · 发表于 2015-1-6 13:43

本帖最后由 cauhorse 于 2015-1-7 18:07 编辑

下面是我最近一次排查的故障，但还有机理不清的地方，请各位协助分析，多谢！:)
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描述：电磁阀控制电路为简单的三极管低侧开关电路，如下图所示。

      原样机采用的9013为TO92封装，通电时一切正常，电磁阀可正常动作，三极管无过热现象；在更换了SOT23封装后，电磁阀无法动作，工作电流始终处于0.16A左右，一段时间后，       三极管过热失效，电流剧增，最终烧毁；

原因：对比两种封装的器件规格书，发现主要电气性能参数均一致，不同之处是：SOT23封装的9013其功率耗散值为0.3W，低于TO92封装的0.625W；资料查询得知SOT23-3封装的热阻约为336℃/W，
      但按实际最大许用结温150℃换算得到的热阻Rjc=(Tj-Tc)/P=（150℃ - 25℃）/0.3W = 416.7℃/W，因此取两者中较大的值进行计算：
      已知条件：
               实际工况下，电磁阀工作电压12V，线包电阻在46~52之间（个体差异），吸合后的实测工作电流约为0.22A，按通态管压降0.6V计，功耗为0.132W；
      由此计算得到：
               理想散热条件下的结温为：
               TjA = Tc+P*Rjc = 25℃ + 0.132W *  416.7℃/W = 80℃也即按25℃室温计（实际室内温度24℃上下），其最终估算结温为80℃，但远未达到150℃结温上限，因而即使如此考虑功率温升降额，三极管也不应出现烧毁现象；
      留意到9013三极管有”两个hFE参数“：
                                             参数       符号          测试条件                      最小值       典型值       最大值       单位
                        直流增益 hFE(1) Vce=1V Ic= 50mA    120       -       350
                        直流增益 hFE(2) Vce=1V Ic= 500mA    40       -          -
      表中数据表示，在大电流下，管子的直流增益下降。如果仍按照万用表测得的hFE参数来计算基极电阻，则可能导致三极管无法完全饱和，使管压降显著增加，功耗及温升上升，最终造成元件损坏。
      数据表中，另有曲线描述Ic与直流增益之间的关系：

                              file:///C:/Users/Administrator/AppData/Local/YNote/data/horse3333@126.com/868014af1a7249ed83aceb1b3c89562c/clipboard.png
   可见在200~300mA区间，其直流增益应在100左右，按此计算基极电阻阻值，0.22A负载电流，5V电压控制，按Vbe饱和压降1.2V计，基极电阻不应大于1728欧姆。
   但实际使用1k欧电阻时，发现三极管仍无法可靠导通，一直将此电阻降至470欧姆时，电磁阀方能吸合。但此时三极管壳温仍高于60℃（估计值，因为此时的温度人手无法持续接触，小封装点温计无法准确测量）。
对策：目前换用IRLM2502作为代用元件，此元件为SOT23封装N-MOS，引脚顺序为1-Gate，2-Source，3-Drain，与SOT23封装的9013可“对应“，原基极电阻作为栅极电阻使用；由于对开关速度无苛刻要求，阻值未做调整。
启示：封装变更也属于技术状态变化，应在变更前，对元器件更换所可能带来的影响做充分分析，以确认替换后的元件是否仍能满足功能、性能及可靠性等方面的要求。一般而言，小封装器件替换大封装器件，对于其功率耗散能力的变化需要仔细评估，尤其应避免在原设计参数处于临界状态时，更换小封装器件后，电路无法满足设计要求的情形。
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这个分析可能不太严谨，我并不擅长这个。
现在问题是：9013管子，TO92工作得没问题，SOT23怎么调整都无法达到原样机的效果，要么无法工作（没有饱和），要么能工作但是温升太大；
                  如何通过计算手段预先发现这个问题？或者说，这些个单板上的小元器件，怎么做热设计才合适？
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以下更新内容为今天测试的结果：
1.将5V电源与三路驱动电路焊装在一个空板上，自左向右分别是“8050通道”、“9013通道”以及“ce极互换的9013通道”。
三个通道使用各自的基极引出线，通过接至5V电源端手动开通。

图中上方就是测试用的泄气阀，小家电中相对常见。
可以看到，电源接通后，最右侧的“ce极互换的9013通道”指示LED已经亮起来了，将基极强制接地，LED变暗，但未彻底判断。
断电更换新管后，现象依旧，可知原封装引脚顺序应无问题。
2.测试“ce极互换的9013通道”的开关状态。
首先用万用表确认基极位置，再将板上的9013底朝天焊接，以使原c、e极互换。

断电连接电磁阀引线，上电后，将基极引出线接至5V电源焊盘，电源表头显示电流为0.08A，电磁阀无动作。

3.测试“9013通道”的开关状态。
断电连接电磁阀引线，上电后，将基极引出线接至5V电源焊盘，电源表头显示电流为0.22A，电磁阀动作正常。
通电后，三极管壳温显著上升。

4.测试“8050通道”的开关状态。
断电连接电磁阀引线，上电后，将基极引出线接至5V电源焊盘，电源表头显示电流为0.21A，电磁阀动作正常。
通电后，三极管壳温显著上升，与“9013通道”的现象类似。

目前可排除的故障模式只有：器件引脚搞错。
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再传两个参考资料上来，我的计算方法是参考里边的内容。
资料如下：

zhongs98 · 发表于 2015-1-6 14:05

本帖最后由 tyw 于 2015-1-6 14:23 编辑

用8050功率大些的贴片或贴片mos管替换.采购时要声明功率大的那种,因为8050相同sot23封装有功率大的,也有功率小的(同9013),不讲清楚,店家就会拿小的给你.

发表于 2015-1-6 14:29

管子的参数不对，要换用合适的。

发表于 2015-1-6 14:30

另外查查管脚是不是搞错了。

发表于 2015-1-6 14:49

本帖最后由 cauhorse 于 2015-1-6 15:04 编辑

chunyang 发表于 2015-1-6 14:30
另外查查管脚是不是搞错了。

谢谢春阳大哥。9013的管子，我反复对了两种封装的参数，发现也只有耗散功率有区别。我抽出几个管子，测了一下他们的hFE值，TO92 ‘H’尾缀的多在260左右，SOT23 ‘J3’管子多在300左右，
同样电路点DC12V/触点电流10A的继电器都没问题，不过电流只用几十mA。管脚顺序也反复测过，应该是正确的。

发表于 2015-1-6 14:58

tyw 发表于 2015-1-6 14:05
用8050功率大些的贴片或贴片mos管替换.采购时要声明功率大的那种,因为8050相同sot23封装有功率大的,也有功 ...

谢谢T叔指点。我找中发的店家问问，回头试下8050。

发表于 2015-1-6 17:10

思路很好，不过缺经验。
9013驱动电磁阀，即使TO92也不是一个可靠的选择。
与继电器相似，电磁阀除了有保持电流外，还有吸合电流，你计算中用的是前者。我印象中吸合电流至少比保持电流大30%，具体数据需要查手册。
这个应用中三极管选择除了要考虑静态功耗外还要考虑动态功耗。一般这种管子都有SOA工作曲线。为满足这一要求，电磁阀的开关过程应尽量短，这个除了前级要有足够的驱动外还需要在BE之间并一个电阻加速关闭过程。
此外，温升的计算中是不是把结温和封装温度搞混了，按文中的计算过程，计算的结论似乎不是PN结的温升而是封装的温升。你对现场的描述似乎也符合这一判断。一般手册中给出的热阻都是有限定条件、即要求一定的散热面积的。
通常在小功率器件的应用中，只要摸到管子发烫，这个设计一般是有问题的。

发表于 2015-1-6 18:24

0.22A 的负载电流，用9013合适么？不考虑别的，电流裕量太小了吧？

发表于 2015-1-6 18:38

cauhorse 发表于 2015-1-6 14:49
谢谢春阳大哥。9013的管子，我反复对了两种封装的参数，发现也只有耗散功率有区别。我抽出几个管子，测了 ...

那就要注意电磁阀动作的瞬态电流参数了，如果该值相对管子的容限过大，会造成结温瞬态过高进入二次击穿态。

发表于 2015-1-6 19:37

贴一下PCB局部图看看……几乎可以肯定是封装CE搞错了。CE对调后，放大倍数变得很小。

发表于 2015-1-6 22:09

这个仔细看数据手册参数就行了,注意sot23 to92 放大倍数和电流有什么不同

发表于 2015-1-6 22:51

本帖最后由 cauhorse 于 2015-1-6 22:54 编辑

mohanwei 发表于 2015-1-6 19:37
贴一下PCB局部图看看……几乎可以肯定是封装CE搞错了。CE对调后，放大倍数变得很小。 ...

大哥，我用的那个件就是最常见的引脚定义：

而且9013在电路中的其他几处也有用到，不过没表现出问题来。
只遇到过TO92封装的有类似ECB引脚排列的。
不过我还是明天故意给它调换一下试试。

发表于 2015-1-6 22:53

ccmc 发表于 2015-1-6 22:09
这个仔细看数据手册参数就行了,注意sot23 to92 放大倍数和电流有什么不同

目前只发现SOT23比TO92在功率耗散方面低，放大倍率拿表测了下，相差不大，不过大电流下可能有所不同。

发表于 2015-1-6 23:03

chunyang 发表于 2015-1-6 18:38
那就要注意电磁阀动作的瞬态电流参数了，如果该值相对管子的容限过大，会造成结温瞬态过高进入二次击穿态 ...

我也怀疑过瞬态电流的问题，还没有仔细测过这四个阀上电瞬间的电流变化。
不过影响肯定存在，因为基极电阻减小到一定程度后，管子导通时还是能让阀门有效动作的。
就是两种封装下的实际差异这么大有些让我不解。

发表于 2015-1-6 23:30

bald 发表于 2015-1-6 17:10
思路很好，不过缺经验。
9013驱动电磁阀，即使TO92也不是一个可靠的选择。
与继电器相似，电磁阀除了有保持 ...

感谢您的指点。
有关电磁阀的吸合电流，我的确知之甚少，需要去补课。电流具体取多少降额我也没个准确数，但是我听说过“电流从50%增长至75%的满额电流阶段，衔铁即会动作”，但也有人提出“吸合电流取值应为静态工作电流的4~10倍”，后者的说法其实和电机工作时的启动电流的取值倍率相当；权衡之下，我一般也会留下一半以上的裕度，以防不测。
那个结温公式，是用的理想散热条件，用（室温+功率*结壳间热阻）换算得来的，这个似乎问题不大，不过难估计的是真实的散热条件，很影响设计结果。大多数推荐的方法都是用实测壳温结合当前功耗倒推结温是否安全，但是这样的设计方法需要实验配合，有点事后改进的意思，就是有时用ICEPACK仿真，也很难把单板上的小器件弄妥当。

发表于 2015-1-6 23:33

本帖最后由 cauhorse 于 2015-1-6 23:42 编辑

huayuliang 发表于 2015-1-6 18:24
0.22A 的负载电流，用9013合适么？不考虑别的，电流裕量太小了吧？

这个电流的确不太合适，所以后头也把管子换了。但无论计算还是演示，换个封装就过热烧毁有些不合“热设计常理”，就是较个真，做个真归零，请别介意哈。

发表于 2015-1-7 00:17

严重怀疑是你引脚搞错了了！

发表于 2015-1-7 10:12

marking

发表于 2015-1-7 12:59

好贴，顶起

发表于 2015-1-7 18:08

通宵敲代码发表于 2015-1-7 00:17
严重怀疑是你引脚搞错了了！

测了半天，发现引脚还是没搞错。。

9013封装变更后（TO92换为SOT23），电磁阀无法动作

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