Загадочные смерти микросхем

Этот мем я сделал в конце лета 2021 года. В те далекие дни главным моим беспокойством была отладка платы, регулирующей заряд литиевой батареи.

На той плате была очень умная микросхема, которая конвертировала любое входное напряжение в напряжение заряда батареи. Еще она управляла током заряда, у нее был цифровой интерфейс связи, защиты и всё такое. Из-за того, что батарея была на напряжение 42В и ёмкость 17А/час, микросхема была чуть ли не единственной, способной справляться с такими задачами. На рынке, большинство предназначено для низких напряжений, а для таких "высоких" - только Analog Devices. Они были дорогие, они долго покупались и я сжёг их где-то 7 штук. Те дни мне хорошо запомнились, потому что я вот-вот должен был уехать в двухнедельный насыщенный путешествиями отпуск, но отсутствие понимания причины смерти целых 7 микросхем мне реально не давало наслаждаться жизнью.

Если быть точнее, то сгорали, конечно, не сами микросхемы, а их драйвера управления транзисторами.

Собственно, ничего сверхъестественного схема не представляла: 4 транзистора, катушка индуктивности между ними. Если напряжение надо понизить, то транзисторы с левой стороны синхронно переключаются, как в обычном Step-Down DC-DC. Нижний транзистор справа постоянно выключен, а верхний транзистор справа - постоянно включен. Если надо повысить - то наоборот: правые переключатся, левые постоянно включены/выключены.

Оба нижних транзистора подключены к низкоомному резистору, на котором микросхема измеряет ток для управления транзисторами.

И вот эти драйверы BG1,TG1,BG2,TG2 время от времени сгорали. Они пробивались и переставали работать, причем делали это в каком-то случайном порядке. Но что еще хуже, иногда пробивались даже транзисторы! А они были на 80В и 100В Vds!!!!!!!!!

Происходило это следующим образом: плата нормально работала, заряжала батарею, преобразовывала напряжение без каких либо проблем, а потом хоба! И переставала работать.

Мы с Борисом Георгиевичем (мои тогдашним ментором и наставником) рассмотрели схему и плату вдоль и поперек, сделали самые разные модификации, проверили даже самые идиотские теории, но через какое-то время что-то всё равно шло не так. Никакой зависимости и статистики из 7 образцов вывести не получалось.

Отчаяние. Подавленность. Разочарование. Опускаются руки.

Пробить транзистор может только две вещи: очень большой ток и очень большое напряжение. При обычном режиме работы ни того, ни другого там не наблюдалось. Да и непонятно даже было, откуда оно может взяться.

Седьмая микросхема сгорела очень эпично. Она заряжала батарею, я сидел рядом и в какой-то момент она прям щёлкнула! Боковым зрением я увидел искру. Источник питания ушел в защиту по току...

Загадок и вопросов добавилось еще больше, ответов у моих взрослых и опытных коллег не было, но именно этот случай помог найти причину всех бед.

Гарь от щелчка была в районе токового шунта, расположенного между нижними транзисторами и землей. Я вытер гарь, прозванивал всякие цепи, смотрел на схему, на плату в Альтиуме и в какой-то момент тыкнулся мультиметром на землю и на шунт. Контакта между ними не было. Контакта не было между землей и тем падом шунта, который напрямую подключен к земле. Это что-то супер странное, потому что пад подключен напрямую через полигон. Он, собственно говоря, является частью этого полигона. Я приблизил пад в Альтиуме и увидел то, что не замечал при меньшем зуме.

Не спрашивайте меня, почему я не заметил термобарьеры раньше. Идея была в том, что мне было лень возиться с настройками правил Альтиума, поэтому по умолчанию подключение земляных полигонов было через термобарьеры, а там где надо было подключать напрямую - я самостоятельно помещал прямоугольник прямого подключения. И вот на шунте, на одном из самых важных элементов схемы, я как-то проебался.

На самом деле, мне тут можно возразить, мол, ничего страшного. Термобарьер короткий. Он не должен оказывать большого влияния на работу, зато существенно упрощает монтаж платы. В ответ на это я покажу следующее фото.

Термобарьеры просто сгорели. Сгорели только на этой плате, где был щелчок, во всех предыдущих они целы. Ушли в обрыв еще и резисторы R22, R24, которые ведут сигнал от шунта к микросхеме. Они, к слову, были 0402.

Я вскрыл маску рядом с шунтом, припаял его напрямую к земле, вернулся из отпуска и загадочные смерти драйверов с транзисторами прекратились. В новых версиях (без термобарьеров) всё работало стабильно и уже ничего не выгорало.

Так в чем же проблема? Точных доказательств я не имею, но предполагаю следующее:

• Через этот шунт протекает большой переменный ток, где-то 8А - 11А. Ключевое тут не столько, что он большой, а то что он переменный.
• Эти термобарьеры обладают существенно бóльшей паразитной индуктивностью, чем сплошной полигон
• При изменении тока на этих барьерах должны быть выбросы напряжений, согласной моей любимой формуле ΔV = L*(dI/dt). Ток порядка 10А, dt порядка наносекунд.
• Видимо, из-за этих термобарьеров происходили выбросы напряжений, которые и выбивали драйвера с транзисторами.

На самом деле, у этого объяснения есть очень слабые места:

• Чтоб вызвать бросок напряжения 100В, индуктивность этих барьеров должна быть порядка 10нГн. По прикидкам калькулятора Saturn их индуктивность должна быть 0.08нГн. Но может, я как-то неправильно считаю.
• Почему смерть транзисторов/драйверов происходила не вскоре после начала работы, а в спонтанный момент времени?
• Даже если это напряжение убивало транзисторы, то как оно убивало драйверы?

Из сильных сторон:

• Всё заработало после исправления
• Резисторы 0402 не просто так умерли, обычно их максимальное рабочее напряжение = 50В

Как один из альтернативных вариантов: падение напряжения на термобарьерах было не 100В, а порядка нескольких вольт. А этого достаточно, чтобы выбить пины CSN, CSP, считывающие напряжение шунта. Они повреждаются от напряжения 3В.

Короче говоря, прошло 2 года, а до сих пор всё еще не так однозначно. Пишите, что думаете, интересно мнение коллег.