近日，有半導體設備客戶向我們反饋其設備中應用多臺電源供電，在實驗室測試驗證過程中面臨輸入跳閘問題。因為該半導體設備對生產效率，可靠性和使用壽命的高要求，客戶擔心是否存在隱患，導致整體供電系統功能降級甚至帶來更嚴重的后果。

是什么原因導致設備面臨二次上電跳閘問題呢？下面我們嘗試簡要分析引起跳閘問題的原因、對策和對電源產品和供電架構選擇的一些思考。

一. 問題描述：

用戶的半導體設備采用多臺開關電源供電，當半導體設備輸入斷電后馬上二次上電，較容易引發實驗室內輸入側空氣開關跳閘。如果設備斷電后等待數秒鐘以上，再次上電就不會引發跳閘現象。

二. 原因分析：

經驗表明，工業設備斷電后馬上送電引起的跳閘現象多數為輸入側二次啟動沖擊電流（Secondary InrushCurrent）導致。

為了降低啟動瞬間輸入側高壓電解電容充電引起的沖擊電流，開關電源一般均內置輸入沖擊電流抑制功能。小功率電源業內常見的方案是通過內置負溫度系數的熱敏電阻（NTC）來抑制啟動沖擊電流。中大功率開關電源受功耗限制，普遍采取有源沖擊電流抑制方式，待沖擊電流抑制動作完成后，再驅動有源器件旁路掉功率電阻，實現降低功耗目的。

下圖一為某中大功率開關電源內部框圖。如圖一紅色方框所示，有源沖擊電流抑制電路串聯于功率因數校正（PFC）電路上，用來限制輸入上電啟動瞬間帶來的沖擊電流。

圖一

考慮到大功率電源產品的可靠性和長期使用壽命，正常工作時必須確保有源旁路器件始終處于導通狀態，可靠地旁路掉串聯回路上的功率電阻，以實現整機功耗最優化。

受電磁兼容法規限制，工業級電源需要滿足電壓暫降和短時中斷（常見標準 SEMI F47, IEC61000-4-11 或GB/T 17626.11）測試要求。開關電源內置有源沖擊電流抑制電路在輸入短時中斷期間將盡可能維持導通狀態，避免功率電阻抑制能量傳遞，導致電源輸出能量受限，無法通過法規要求的測試。

受產品功耗，效率，壽命和電磁兼容法規等限制，中大功率開關電源內置有源沖擊電流抑制電路選擇在短時間內（典型值為數百毫秒）處于強制導通狀態。

當電源輸出保持一定負載時，輸入短時掉電后，電源內部高壓電解電容將被快速放電至欠壓保護點。若很短時間內輸入再次上電，因為電源輸入側和內部高壓電解電容之間存在較高壓差，且處于強制導通狀態下的有源沖擊電流抑制電路阻抗很低，所以容易帶來較高的二次沖擊電流。

當電源處于輕載或空載工況時，其內部高壓電解電容尚存較多能量，可以確保高壓電解電容維持較高的電壓水平。因此，即使輸入中斷數百毫秒后再次送電，也能一定程度上緩解了二次沖擊電流峰值。下圖為半導體行業中常用的我司大功率電源HWS1500系列在輸入 200VAC輸入時，短時中斷產生二次沖擊電流的典型測試數據。橫軸為輸入斷電后二次上電的時間間隔，縱軸為二次上電引發的沖擊電流峰值。其中處于圖二所示上方的實線和點橫線分別為滿載和半載工況，最下面的虛線為空載工況。

圖二

從圖二所示曲線可以看出，輸入短時中斷后二次上電將引起較高的二次沖擊電流。若輸入斷電狀態維持在 1S以上，二次沖擊電流峰值將明顯降低。

常規應用中，大功率電源在短時間輸入中斷時不可避免存在二次沖擊電流，考慮到內部高壓電解電容殘余能量，實際二次沖擊電流脈寬較窄，只要輸入側空氣開關型號配置得當，不容易導致輸入跳閘。

考慮該應用為多臺電源用于同一套設備，輸入短時中斷造成的二次沖擊電流存在疊加可能。若設備輸入側的空氣開關的容量不足，很可能在輸入短時中斷后的二次上電時觸發保護，引起跳閘現象。

三. 解決對策：

對策 1：更換合理的前級輸入側空氣開關。

設備前級輸入側空氣開關同時具備過載保護和短路保護功能。其中過載保護通過熱脫扣來實現，這屬于慢速保護，典型動作時間約 0.1 秒到 1 秒鐘。短路保護屬于磁脫扣范疇，這是一種快速保護方式，其典型脫扣時間為15mS 到 100mS。

針對工業級半導體設備輸入側空氣開關，若不考慮斷電后一秒鐘內二次上電，一般在輸入側配置 C特性空氣開關。若客戶期望斷電后極短時間內二次上電也不會脫扣，建議選擇抗磁脫扣能力更強的D特性空氣開關?？蛻粢部梢愿鶕陨韺嶋H情況，聯系空氣開關供應商了解各種特性脫扣曲線相關的詳細內容，選擇更合理的配置。

即使輸入短時中斷后二次上電過程中存在較高二次沖擊電流，TDK旗下 TDK-Lambda品牌的中大功率開關電源也能滿足自身各類設計指標，維持一貫的高可靠性和長壽命特色。

對策 2：采取多路輸出電源或解決方案供電

TDK-Lambda 可提供多種高可靠性長壽命的多路輸出電源方案。因為該方案只需要一路 AC 輸入，所以輸入側漏電流、啟動沖擊電流、短時中斷二次沖擊電流和 EMI 等壓力都明顯降低。

下一期，我們將向大家詳細介紹半導體設備中高可靠性多路輸出供電方案，敬請期待！

對策 3：變更輸入分線盒架構，采取異步上電方式。

若客戶期望進一步降低整機二次沖擊電流，也可通過輸入分線盒改進配線。但是這將帶來體積、成本和電磁兼容風險上升。

解決低概率現象的同時，造成成本、體積、和電磁兼容等風險上升，尚需進一步深入評估。

四. 小結與思考：

大功率電源輸入中斷后再次上電時引發的二次沖擊電流現象并非故障，這是能量守恒客觀物理規律導致。這也是產品可靠性、功耗最小化，長壽命設計和滿足電磁兼容法規限制下的合理折衷方案。

在實際使用過程中，半導體設備的輸入空開配置容量普遍要高于一般測試實驗室，因此不太容易在客戶端實際應用中遇到類似問題。

在國內半導體需求持續爆發和國產替代蓬勃發展的大背景下，半導體制造和封裝測試的產能都隨之大幅度增長。這對半導體設備的需求也與日俱增，同時也對半導體設備中核心基礎供電部分提出新的要求。除了選擇合理的架構和電源方案之外，前期充分且高效溝通的重要性也上升到前所未有的高度。

審核編輯：郭婷