【案例1.8】低溫下電子設(shè)備啟動(dòng)異常

某產(chǎn)品在低溫條件下，底層驅(qū)動(dòng)軟件在初始化電機(jī)控制電路過程中，偶爾遇到死機(jī)現(xiàn)象。

【討論】

通過監(jiān)測低溫下元器件工作電壓的波動(dòng)，確定故障原因是控制電路上有一顆芯片采用 了液態(tài)電解質(zhì)鋁電容作為濾波電容。電機(jī)啟動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)載電流波動(dòng)△I，而鋁電解電容的液態(tài)電解質(zhì)在低溫下狀態(tài)改變，導(dǎo)致電容的 ESR（Equivalent Series Resistance），等效串聯(lián)電阻)大幅度增大，根據(jù)△V=△I×ESR，使芯片電壓產(chǎn)生很大的波動(dòng)，導(dǎo)致出錯(cuò)。低溫測試時(shí)，由于電壓波動(dòng)峰-峰值恰在限值附近，所以故障表現(xiàn)出偶發(fā)性。

【擴(kuò)展】

鋁電解電容手冊(cè)上的ESR通常是在常溫（多數(shù)廠家定義常溫條件為20℃或25℃）下定義的。若設(shè)備的工作環(huán)境溫度較低，需注意ESR 會(huì)增大很多倍。筆者曾經(jīng)利用測試儀器對(duì)電路板上的一顆標(biāo)稱值為0.22Ω（標(biāo)稱值的測試條件：注入能量的頻率為100kHz, 環(huán)境溫度為20℃）的鋁電解電容進(jìn)行測試，測試頻率為100kHz, 環(huán)境溫度為20℃時(shí)，ESR測試結(jié)果為0.28Ω,接近標(biāo)稱值；但在環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，ESR測試結(jié)果為6.3Ω?？梢钥闯?，對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)的鋁電容，ESR是隨著溫度的降低而急劇變大的。并且，根據(jù)測試結(jié)果，在低溫下，這個(gè)參數(shù)的元器件間偏差非常大。

所以，在設(shè)計(jì)中，需注意以下三點(diǎn)：

①了解所使用的元器件，哪些參數(shù)會(huì)明顯隨著溫度而變化。

②了解參數(shù)隨溫度變化的趨勢。

③通過仔細(xì)閱讀元器件手冊(cè)，了解在這種溫度變化趨勢下，元器件的參數(shù)偏差是否 會(huì)變得很大，以至于在手冊(cè)中無法定義。

第③點(diǎn)是重要而又容易被忽略的。有一些善于計(jì)算的工程師，喜歡通過計(jì)算來估計(jì)電 路工作的邊界。本案例中，根據(jù)電容的 ESR, 結(jié)合負(fù)載波動(dòng)電流△I，可以估算出在電容上產(chǎn)生的△V。但由于ESR 會(huì)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(duì)計(jì)算結(jié)果造成了很大不確定性。所以最終計(jì)算出的△V極限值，看似準(zhǔn)確實(shí)則不準(zhǔn)確，工程師反而容易被計(jì)算值所誤導(dǎo)。

這種情況下正確的做法是，衡量某電容的 ESR對(duì)設(shè)計(jì)的影響。若影響很大，而 ESR的極限值又無法被準(zhǔn)確評(píng)估，則應(yīng)在設(shè)計(jì)中規(guī)避此元器件的使用，更換其他參數(shù)值穩(wěn)定的元器件。

在本案例中，負(fù)載電流△I波動(dòng)較大，所以應(yīng)規(guī)避使用 ESR 隨著溫度變化劇烈，且在低溫下參數(shù)值偏差很大，無法準(zhǔn)確估量 ESR 極限值的液態(tài)電解質(zhì)鋁電容，而改用ESR較穩(wěn)定的有機(jī)聚合物固態(tài)鋁電容。

以上案例來自電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域知名專家-王老師《高速電路設(shè)計(jì)進(jìn)階》著作內(nèi)容其一案例！