特定工作條件下的開(kāi)關(guān)電源模塊失效分析

DC/DC（直流- 直流轉(zhuǎn)換）開(kāi)關(guān)電源模塊是一種運(yùn)用功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)電源。它具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度高、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)、通信等以及航天、航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用^[1]。然而，由于電源本身或外圍電路設(shè)計(jì)不當(dāng)、使用不當(dāng)以及散熱設(shè)計(jì)不合理等多種原因，均會(huì)造成開(kāi)關(guān)電源模塊在使用過(guò)程中發(fā)生失效。本文結(jié)合某特定工作條件下的失效案例，通過(guò)對(duì)該開(kāi)關(guān)電源模塊及其外圍電路工作原理的分析，對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行原理分析與仿真，對(duì)后續(xù)開(kāi)關(guān)電源模塊外圍電路的設(shè)計(jì)和使用提出了建議。

1   失效背景

某型開(kāi)關(guān)電源模塊是一款開(kāi)關(guān)模式的DC/DC 非隔離電源模塊。模塊內(nèi)部集成了PWM 控制器、驅(qū)動(dòng)、功率MOSFET 和濾波器件^[2]。模塊將輸入的+5 V 電壓轉(zhuǎn)換成1.2 V、2.5 V、3.3 V 等4 路輸出。其在系統(tǒng)及單板上的工作工況如圖1 所示。由直流穩(wěn)壓電源提供的28.5 V一次電源經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)隔離電源變成+5 V二次電源，+5 V 電源在板上經(jīng)一級(jí)LC 濾波后送至開(kāi)關(guān)電源模塊轉(zhuǎn)換成各路輸出電壓供板上負(fù)載使用^[3]。

在系統(tǒng)某次測(cè)試時(shí)，由于直流穩(wěn)壓電源初始輸出電流設(shè)置值小于系統(tǒng)正常啟動(dòng)所需電流，直流穩(wěn)壓電源發(fā)生了限流，將輸出電流重新設(shè)置后再次加電，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)電路板工作異常。用萬(wàn)用表測(cè)量開(kāi)關(guān)電源模塊輸入+5 V 對(duì)地電阻，測(cè)試結(jié)果顯示輸入端對(duì)地短路，初步判斷該開(kāi)關(guān)電源模塊已失效損壞。

圖1 電源模塊及其外圍工作原理框圖

2   故障樹(shù)分析

針對(duì)該電源模塊失效問(wèn)題列出故障樹(shù)，如圖2 所示。

圖2 故障樹(shù)

X1 其他電路異常：指與開(kāi)關(guān)電源模塊使用相同+5 V 電源的板上其他電路異常導(dǎo)致的電源模塊失效。

拆除失效的電源模塊后，用萬(wàn)用表測(cè)量+5 V電源對(duì)地，阻值為4.07 kΩ，不再短路。更換新的DC/DC 電源模塊后對(duì)電路板進(jìn)行加電測(cè)試，電路功能恢復(fù)正常，因此可排除該底事件。

X2 負(fù)載異常：由于開(kāi)關(guān)電源模塊輸出負(fù)載電路異常造成的電源模塊失效。通過(guò)對(duì)X1 底事件的排查，即更換新的電源模塊后電路功能恢復(fù)正常，同樣可排除該底事件。

X3 內(nèi)部異常：由于開(kāi)關(guān)電源模塊內(nèi)部電路存在多余物、焊裝異常等造成的電源模塊失效。對(duì)失效模塊進(jìn)行X 光檢查，結(jié)果如圖3 所示，可見(jiàn)模塊內(nèi)部4 個(gè)通道相關(guān)元器件焊裝規(guī)整，未見(jiàn)異常搭接、多余物等，可排除該底事件。

X4 輸入異常：根據(jù)開(kāi)關(guān)電源模塊失效前經(jīng)歷過(guò)直流穩(wěn)壓電源限流這一特點(diǎn)，人為將直流穩(wěn)壓電源輸出電流設(shè)置為小于電路正常工作所需電流，用示波器監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)電源模塊輸入+5 V 電壓，測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。+5 V 輸出電壓一直在約2.3 ～ 6 V 間來(lái)回振蕩。經(jīng)查詢(xún)，該開(kāi)關(guān)電源模塊推薦最大工作電壓為5.5 V，最大極限工作電壓為6 V，因此不能排除該底事件。

圖4 直流穩(wěn)壓電源限流時(shí)+5 V電壓波形

綜上所述，4 個(gè)底事件中可以排除同樣使用+5 V電源的其他電路、開(kāi)關(guān)電源模塊內(nèi)部及負(fù)載電路的影響，無(wú)法排除的底事件為開(kāi)關(guān)電源模塊輸入過(guò)壓異常^[4]。

3   失效原因及失效機(jī)理分析

3.1 開(kāi)關(guān)電源模塊輸入電壓振蕩分析

由圖1 可知，在整個(gè)系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)電源模塊的輸入即前級(jí)隔離電源的輸出。經(jīng)與隔離電源廠(chǎng)商溝通得知，該隔離電源具有欠壓保護(hù)功能，欠壓設(shè)定值約為23 V。當(dāng)輸入電壓低于23 V 時(shí)，隔離電源不工作，各路輸出電壓為0；當(dāng)輸入電壓高于23 V 時(shí)，隔離電源開(kāi)始工作，各路輸出正常電壓值。當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出的28.5 V電壓由于設(shè)置不當(dāng)限流時(shí)，相當(dāng)于隔離電源輸入功率受到了限制，從而無(wú)法滿(mǎn)足輸出功率的需求。當(dāng)隔離電源加電后，輸入電壓從0 V 開(kāi)始上升，當(dāng)上升至開(kāi)啟電壓23 V 以上時(shí)，隔離電源開(kāi)始工作，并將輸入功率傳遞到輸出端，此時(shí)+5 V 輸出電壓開(kāi)始上升，輸出功率開(kāi)始增加，當(dāng)輸出功率增加至輸入功率無(wú)法滿(mǎn)足其需求時(shí)，輸入電壓就會(huì)被拉低（如圖5 中t1-t2 波形），當(dāng)輸入電壓被拉低至23 V 以下時(shí)，隔離電源停止工作，+5 V輸出電壓開(kāi)始下降（如圖5 中t2-t3 波形），直至輸入電壓再次上升至23 V 以上時(shí)，隔離電源再次開(kāi)始工作，+5 V 輸出電壓開(kāi)始上升，此后將重復(fù)先前過(guò)程，最終形成圖5 所示的振蕩波形。

圖5 隔離電源輸入與輸出振蕩波形

3.2 失效機(jī)理分析與仿真

如圖1 所示，直流穩(wěn)壓電源輸出的28.5 V 電源在經(jīng)過(guò)隔離電源轉(zhuǎn)換后還經(jīng)過(guò)了一級(jí)LC 濾波電路才進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源模塊。由電感與電壓對(duì)應(yīng)公式可知，隔離電源由于限流的原因，其輸出+5 V在不停地開(kāi)關(guān)，這就導(dǎo)致電感L 上的電流不停地變化，等效電感量越大電壓變化幅度越大，電流變化率越大電壓變化幅度越大，由于電路板的負(fù)載是一定的，故+5 V 開(kāi)關(guān)時(shí)其電流變化應(yīng)該是相對(duì)穩(wěn)定的，因此電感L 的大小決定了開(kāi)關(guān)電源模塊輸入端電壓的變化量，等效電感L 越大，輸入端電壓變化量越大。

用Multisim 軟件對(duì)該電路進(jìn)行仿真，仿真原理圖如圖6 所示。在5 V 直流電壓源上疊加1 個(gè)0.5 V 的時(shí)鐘電壓源，將時(shí)鐘電壓源的頻率設(shè)置為1 kHz、上升時(shí)間為50 μs、下降時(shí)間為650 μs，以模擬實(shí)際+5 V 的輸出振蕩波形，L1 與C1 則與電路板上實(shí)際取值相同^[5]。

圖6 仿真原理圖

對(duì)上述電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，仿真結(jié)果如圖7 所示，仿真圖形與示波器監(jiān)測(cè)波形相似。對(duì)該波形進(jìn)行放大，如圖8。可見(jiàn)，由于電感的作用，在+5 V 振蕩波形上又疊加了1 個(gè)高頻振蕩波形，若該振蕩波形出現(xiàn)在原振蕩波形的波峰（5.5 V）上，則會(huì)導(dǎo)致該處電壓達(dá)到甚至超過(guò)6 V。

圖7 LC濾波仿真結(jié)果圖

圖8 LC濾波仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果圖（放大）

綜合上述原理分析與仿真結(jié)果可知，隔離電源輸出的+5 V 電壓在直流穩(wěn)壓電源限流情況下產(chǎn)生了振蕩，但此時(shí)的振蕩峰值電壓尚未達(dá)到6 V，然而，由于開(kāi)關(guān)電源模塊輸入LC 濾波電路中電感的作用，+5 V 電壓在輸入電源模塊時(shí)，在原振蕩波形上又疊加了1 個(gè)高頻振蕩，使得輸入電壓峰值達(dá)到甚至超過(guò)6 V（開(kāi)關(guān)電源模塊的極限工作電壓），在反復(fù)的過(guò)壓沖擊下，最終導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源模塊輸入端短路失效。

4   整改建議

通過(guò)上文的分析可知，本次開(kāi)關(guān)電源模塊失效主要有兩方面原因：①直流穩(wěn)壓電源輸出電流設(shè)置不合理，導(dǎo)致輸出電流小于系統(tǒng)正常工作所需電流，從而引起了電源模塊輸入電壓的振蕩；②開(kāi)關(guān)電源模塊輸入濾波電路設(shè)計(jì)不合理，LC 電路中的電感在原振蕩波形上又引入了高頻振蕩，使得最終電源模塊的輸入電壓超過(guò)其極限工作電壓。因此，整改建議也主要針對(duì)上述原因展開(kāi)：①系統(tǒng)加電前合理設(shè)置直流穩(wěn)壓電源的輸出電流，確保輸出電流值大于系統(tǒng)正常工作所需值，并留有足夠余量；②將開(kāi)關(guān)電源模塊輸入LC 濾波改為單獨(dú)電容濾波，去除電感后對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，結(jié)果如圖9 所示?？梢?jiàn)振蕩波形上不再疊加高頻振蕩，其峰值電壓不會(huì)超過(guò)6 V，即使直流穩(wěn)壓電源輸出限流造成+5 V 電壓振蕩，也不會(huì)導(dǎo)致DC/DC 開(kāi)關(guān)電源模塊損傷。

圖9 電容濾波仿真結(jié)果

5   結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)特定工作條件下直流穩(wěn)壓電源輸出限流造成開(kāi)關(guān)電源模塊短路失效的問(wèn)題，通過(guò)合理建立故障樹(shù)，準(zhǔn)確定位了故障原因。從開(kāi)關(guān)電源模塊及其外圍濾波電路工作原理入手，對(duì)開(kāi)關(guān)電源模塊的失效原理進(jìn)行了分析與仿真，并提出了修改建議。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）