【案例1.8】低温下电子设备启动异常

【案例1.8】低温下电子设备启动异常

某产品在低温条件下，底层驱动软件在初始化电机控制电路过程中，偶尔遇到死机现象。

【讨论】

通过监测低温下元器件工作电压的波动，确定故障原因是控制电路上有一颗芯片采用 了液态电解质铝电容作为滤波电容。电机启动中会产生很大的负载电流波动△I，而铝电解电容的液态电解质在低温下状态改变，导致电容的 ESR（Equivalent Series Resistance），等效串联电阻)大幅度增大，根据△V=△I×ESR，使芯片电压产生很大的波动，导致出错。低温测试时，由于电压波动峰-峰值恰在限值附近，所以故障表现出偶发性。

【扩展】

铝电解电容手册上的ESR通常是在常温（多数厂家定义常温条件为20℃或25℃）下定义的。若设备的工作环境温度较低，需注意ESR 会增大很多倍。笔者曾经利用测试仪器对电路板上的一颗标称值为0.22Ω（标称值的测试条件：注入能量的频率为100kHz, 环境温度为20℃）的铝电解电容进行测试，测试频率为100kHz, 环境温度为20℃时，ESR测试结果为0.28Ω,接近标称值；但在环境温度为-20℃时，ESR测试结果为6.3Ω。可以看出，对于液态电解质的铝电容，ESR是随着温度的降低而急剧变大的。并且，根据测试结果，在低温下，这个参数的元器件间偏差非常大。

所以，在设计中，需注意以下三点：

①了解所使用的元器件，哪些参数会明显随着温度而变化。

②了解参数随温度变化的趋势。

③通过仔细阅读元器件手册，了解在这种温度变化趋势下，元器件的参数偏差是否 会变得很大，以至于在手册中无法定义。

第③点是重要而又容易被忽略的。有一些善于计算的工程师，喜欢通过计算来估计电 路工作的边界。本案例中，根据电容的 ESR, 结合负载波动电流△I，可以估算出在电容上产生的△V。但由于ESR 会随着温度而变化，特别是，在低温下，元器件间的ESR 偏差 很大，这就对计算结果造成了很大不确定性。所以最终计算出的△V极限值，看似准确实则不准确，工程师反而容易被计算值所误导。

这种情况下正确的做法是，衡量某电容的 ESR对设计的影响。若影响很大，而 ESR的极限值又无法被准确评估，则应在设计中规避此元器件的使用，更换其他参数值稳定的元器件。

在本案例中，负载电流△I波动较大，所以应规避使用 ESR 随着温度变化剧烈，且在低温下参数值偏差很大，无法准确估量 ESR 极限值的液态电解质铝电容，而改用ESR较稳定的有机聚合物固态铝电容。

以上案例来自电路设计领域知名专家-王老师《高速电路设计进阶》著作内容其一案例！