三极管和MOS管的异常现象与根本原因分析
1、现象、问题描述：
板在环境试验低温存储后（机框下电，-40°存储24h，恢复到常温25°，在25°条件下保持2h）上电，发现有4块单板未正常启动。监控单板电源，发现所有问题单板的5v电源异常（测试值为2.6v），而3v3、3v3_stby、5v_stby等电压输出正常；过了20分钟后（未对问题单板进行插拔），问题单板都恢复正常。
下图中5v异常，q44没有充分导通。
我们在低温实验之后，一直没有找到规律。在实验室复现的时候，喷上液氮模拟低温，总觉得这个现象，时有时无。很难琢磨。后来郁闷至极，跟同事讨论说：你觉不觉得跟天气有关？天气不好的时候，就容易出现这个现象？
情急之下，用手指抹了一下口水涂抹在三极管封装表面。然后喷上液氮，问题复现了。
一个奇怪的跟天气有关电路：
2、关键过程、根本原因分析：
图1 5v&3v3控制电路
分析过程：
单板故障时，5v_stby输出正常，而5v输出只有2.6v，分析图1电路的mos管q44（15060203）可知，此时该mos管的vgs小于导通阀值vgs(th)（查看器件手册，低温下vgs(th)大概为2.3v，见图2），处于未完全导通状态。要使5v输出正常，则q44的g点电压vg（即ven_5v_3v3）必须大于7.3v（5v+2.3v）；反之，单板出现故障时，ven_5v_3v3 2.3v；ven_5v_3v3>5.6v(3v3+2.3v)。
根据上面的分析可知，由于ven_5v_3v3处于5.6v~7.3v之间，导致单板5v输出异常，3v输出正常。以下对ven_5v_3v3输出降低的原因进行分析，图3为分析过程。
图2 mos管q44（15060203）vgs曲线图
图3ven_5v_3v3输出降低原因分析过程
2.1 排除q15（15050026）三极管处于放大区
理论分析：
当单板启动时，slp_s3会输出3v3电平，此时q14的ib=（3.3-0.7）/2k=1.3ma；按三极管处于放大区时hfe=100计算，ic=100*1.3ma=130ma，已经超过了ic的饱和电流1.2ma（12v/10k），因此，q15的b点电压应接近于0v，三极管应该处于关闭状态，不可能处于放大区。而根据三极管的温度特性（见图4），温度越低，三极管开启电压阀值越高，更不容易开启。因此，理论分析，此时三极管q15不是处于放大区。
实测结果：
单板故障复现时，实测q15的b点电压只有12mv，因此，三极管q15不可能处于放大区。
图4 三极管q15（15050026）ic电流曲线图
2.2 排除三极管q15的ce漏电流或mos管q1、q44的gs漏电流导致
查看mos管（15060203）数据手册可知，mos管的gs漏电流最大只有100na（见图5）。
图5 mos管（15060203）gs漏电流
查看三极管q15（15050026）的ce漏电流最大为100na（见图6）。
图6 三极管q15（15060203）ce漏电流
从上可知，三极管q15的ce漏电流或mos管q1、q44的gs漏电流，最多使ven_5v_3v3的电压下降3mv（100na*3*10k），所以也不是故障产生的根因。
2.3 确认漏电流往三极管q15方向流
单板故障时，r382上有大概0.5ma（5v/10k）的电流流过，流往的方向只有两个：i1或i2方向，如图7所示。通过下面操作来确认漏电流流向。
操作方式如下：
1、用液氮对q15降温操作，故障复现，ven_5v_3v3逐渐降低时，检测到的电流i2逐渐增大，而电流i1始终为0。
2、用液氮对q1、q44降温操作，多次降温，未发现ven_5v_3v3输出降低。检测到的i1 、i2电流都为0。
由此可以知道，三极管对低温敏感，造成单板故障。且单板故障时，r382上的电流都是往三极管q15上流的。
图7 i1 、i2电流检测
2.4 分析三极管q15产生漏电流的原因
1、怀疑三极管q15上拉的电压（12v）过高；
2、三极管封装封装杂质；
3、怀疑是三极管本身的特性造成，改用相同封装的mos管代替。
造成单板故障是三极管q15在低温下引起，且r382上产生的电流都是流向q15。因此为排查其他因素的影响，对单板上的电路做如图8处理：断开后级的q1和q44（去掉100欧姆电阻）；将q15b点的直接拉地。
2.4.1排除三极管q15上拉的电压（12v）过高；
为了验证该问题是否是q15的c点上拉电压过高引起，因此将上拉电压从12v改为5v，用液氮对q15进行降温处理。
图8 上拉电压更换为5v
结果：ven_5v_3v3仍然会出现下降，因此，可以排除三极管q15上拉的电压过高因素
2.4.2排除三极管封装杂质因素
此前其他产品线出现过mos管器件内部污染导致漏电流超标的问题，但此类问题属于批次问题。将q15更换为不同批次和不同厂家的三极管（15050026）进行测试，发现现象依然存在。因此，排查三极管封装杂质因素。
2.4.3怀疑三极管自身特性造成
其他单板类似电路在q15处用mos管(相同封装)代替，因此，怀疑是否是三极管自身的特性引起，于是用相同封装的mos进行代替，并进行液氮降温测试。
图9 将q15更换为同封装的mos管
故障仍然存在，ven_5v_3v3在低温下，从5v开始跌落，最低跌落到2v以下，且保持时间超过15分钟以上。排除三极管自身特性造成。
图10 ven_5v_3v3 在低温下下降到1.44v
2.4.4确认是sot23封装的三极管和mos管在低温下阻抗减小导致
测试故障单板上mos管q15的ds阻值，发现只有7k；而单板正常时测试到的ds阻值为41k，因此怀疑是低温导致sot23封装的mos管ds阻值、三极管ce的阻抗变小，和上拉的10k电阻产生分压，导致输出ven_5v_3v3降低。
为验证在低温下sot23封装的mos管ds阻抗、三极管ce阻抗会变小，取多个三极管、mos管器件（sot23封装，未焊在板上），用液氮进行降温，测试三极管ce、mos管ds的阻抗。
降温前，测试到的阻抗为无穷大（100m欧以上）；降温后，测试到的阻抗会降低，测试到的最小阻抗只有10k。
因此，可以确认是sot23封装的三极管和mos管在低温下阻抗减小，和上拉的10k电阻产生分压，导致输出ven_5v_3v3降低。
厂家已承认有这种问题，在低温、高湿度的环境下，sot23封装的三极管和mos管的阻抗会减小。
3 结论、解决方案及效果：
结论：在低温、高湿度情况下，sot23这类小封装的三极管（或者mos管）会呈现低阻抗特征，和上拉的10k电阻产生分压，导致ven_5v_3v3输出变低。当三极管q15的ce阻抗降低到小于14k时，由于分压，ven_5v_3v3输出会小于7v，使5vmos管的vgs电压小于mos管的导通要求，导致5v输出变低。
图13 5v输出变低过程
解决方案：
减小q15三极管c点的上拉电阻，改为1k。减小封装在低温高湿的情况下，楼电流，影响输出端电压。
改为1k之后，q15完全导通时电流比较大。要注意电阻的封装、额定功率。
4、经验总结、预防措施和规范建议
sot23封装的mos管、三极管在低温+高湿度的条件下，三极管的rce、mos管的rds呈现低阻抗特征，如果选用此类器件来控制开关/使能信号，建议上拉的电阻不要太大，保证输出电压满足后级开启要求，同时需要注意上拉电阻的降额要求。
原文标题：天气不好就会异常的三极管
文章出处：【微信公众号：硬件攻城狮】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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2、关键过程、根本原因分析：
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根据上面的分析可知，由于ven_5v_3v3处于5.6v~7.3v之间，导致单板5v输出异常，3v输出正常。以下对ven_5v_3v3输出降低的原因进行分析，图3为分析过程。
图2 mos管q44（15060203）vgs曲线图
图3ven_5v_3v3输出降低原因分析过程
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实测结果：
单板故障复现时，实测q15的b点电压只有12mv，因此，三极管q15不可能处于放大区。
图4 三极管q15（15050026）ic电流曲线图
2.2 排除三极管q15的ce漏电流或mos管q1、q44的gs漏电流导致
查看mos管（15060203）数据手册可知，mos管的gs漏电流最大只有100na（见图5）。
图5 mos管（15060203）gs漏电流
查看三极管q15（15050026）的ce漏电流最大为100na（见图6）。
图6 三极管q15（15060203）ce漏电流
从上可知，三极管q15的ce漏电流或mos管q1、q44的gs漏电流，最多使ven_5v_3v3的电压下降3mv（100na*3*10k），所以也不是故障产生的根因。
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1、用液氮对q15降温操作，故障复现，ven_5v_3v3逐渐降低时，检测到的电流i2逐渐增大，而电流i1始终为0。
2、用液氮对q1、q44降温操作，多次降温，未发现ven_5v_3v3输出降低。检测到的i1 、i2电流都为0。
由此可以知道，三极管对低温敏感，造成单板故障。且单板故障时，r382上的电流都是往三极管q15上流的。
图7 i1 、i2电流检测
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2、三极管封装封装杂质；
3、怀疑是三极管本身的特性造成，改用相同封装的mos管代替。
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2.4.1排除三极管q15上拉的电压（12v）过高；
为了验证该问题是否是q15的c点上拉电压过高引起，因此将上拉电压从12v改为5v，用液氮对q15进行降温处理。
图8 上拉电压更换为5v
结果：ven_5v_3v3仍然会出现下降，因此，可以排除三极管q15上拉的电压过高因素
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故障仍然存在，ven_5v_3v3在低温下，从5v开始跌落，最低跌落到2v以下，且保持时间超过15分钟以上。排除三极管自身特性造成。
图10 ven_5v_3v3 在低温下下降到1.44v
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测试故障单板上mos管q15的ds阻值，发现只有7k；而单板正常时测试到的ds阻值为41k，因此怀疑是低温导致sot23封装的mos管ds阻值、三极管ce的阻抗变小，和上拉的10k电阻产生分压，导致输出ven_5v_3v3降低。
为验证在低温下sot23封装的mos管ds阻抗、三极管ce阻抗会变小，取多个三极管、mos管器件（sot23封装，未焊在板上），用液氮进行降温，测试三极管ce、mos管ds的阻抗。
降温前，测试到的阻抗为无穷大（100m欧以上）；降温后，测试到的阻抗会降低，测试到的最小阻抗只有10k。
因此，可以确认是sot23封装的三极管和mos管在低温下阻抗减小，和上拉的10k电阻产生分压，导致输出ven_5v_3v3降低。
厂家已承认有这种问题，在低温、高湿度的环境下，sot23封装的三极管和mos管的阻抗会减小。
3 结论、解决方案及效果：
结论：在低温、高湿度情况下，sot23这类小封装的三极管（或者mos管）会呈现低阻抗特征，和上拉的10k电阻产生分压，导致ven_5v_3v3输出变低。当三极管q15的ce阻抗降低到小于14k时，由于分压，ven_5v_3v3输出会小于7v，使5vmos管的vgs电压小于mos管的导通要求，导致5v输出变低。
图13 5v输出变低过程
解决方案：
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改为1k之后，q15完全导通时电流比较大。要注意电阻的封装、额定功率。
4、经验总结、预防措施和规范建议
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原文标题：天气不好就会异常的三极管
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