特定工作條件下的開關電源模塊失效分析

DC/DC（直流- 直流轉換）開關電源模塊是一種運用功率半導體開關器件實現功率轉換的開關電源。它具有體積小、質量輕、功率密度高、轉換效率高、可靠性高等優(yōu)點，在計算機、通信等以及航天、航空等領域有著廣泛的應用^[1]。然而，由于電源本身或外圍電路設計不當、使用不當以及散熱設計不合理等多種原因，均會造成開關電源模塊在使用過程中發(fā)生失效。本文結合某特定工作條件下的失效案例，通過對該開關電源模塊及其外圍電路工作原理的分析，對其失效機理進行原理分析與仿真，對后續(xù)開關電源模塊外圍電路的設計和使用提出了建議。

1   失效背景

某型開關電源模塊是一款開關模式的DC/DC 非隔離電源模塊。模塊內部集成了PWM 控制器、驅動、功率MOSFET 和濾波器件^[2]。模塊將輸入的+5 V 電壓轉換成1.2 V、2.5 V、3.3 V 等4 路輸出。其在系統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一次電源經系統內隔離電源變成+5 V二次電源，+5 V 電源在板上經一級LC 濾波后送至開關電源模塊轉換成各路輸出電壓供板上負載使用^[3]。

在系統某次測試時，由于直流穩(wěn)壓電源初始輸出電流設置值小于系統正常啟動所需電流，直流穩(wěn)壓電源發(fā)生了限流，將輸出電流重新設置后再次加電，發(fā)現系統內電路板工作異常。用萬用表測量開關電源模塊輸入+5 V 對地電阻，測試結果顯示輸入端對地短路，初步判斷該開關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   故障樹分析

針對該電源模塊失效問題列出故障樹，如圖2 所示。

圖2 故障樹

X1 其他電路異常：指與開關電源模塊使用相同+5 V 電源的板上其他電路異常導致的電源模塊失效。

拆除失效的電源模塊后，用萬用表測量+5 V電源對地，阻值為4.07 kΩ，不再短路。更換新的DC/DC 電源模塊后對電路板進行加電測試，電路功能恢復正常，因此可排除該底事件。

X2 負載異常：由于開關電源模塊輸出負載電路異常造成的電源模塊失效。通過對X1 底事件的排查，即更換新的電源模塊后電路功能恢復正常，同樣可排除該底事件。

X3 內部異常：由于開關電源模塊內部電路存在多余物、焊裝異常等造成的電源模塊失效。對失效模塊進行X 光檢查，結果如圖3 所示，可見模塊內部4 個通道相關元器件焊裝規(guī)整，未見異常搭接、多余物等，可排除該底事件。

X4 輸入異常：根據開關電源模塊失效前經歷過直流穩(wěn)壓電源限流這一特點，人為將直流穩(wěn)壓電源輸出電流設置為小于電路正常工作所需電流，用示波器監(jiān)測開關電源模塊輸入+5 V 電壓，測試結果如圖4 所示。+5 V 輸出電壓一直在約2.3 ～ 6 V 間來回振蕩。經查詢，該開關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+5 V電壓波形

綜上所述，4 個底事件中可以排除同樣使用+5 V電源的其他電路、開關電源模塊內部及負載電路的影響，無法排除的底事件為開關電源模塊輸入過壓異常^[4]。

3   失效原因及失效機理分析

3.1 開關電源模塊輸入電壓振蕩分析

由圖1 可知，在整個系統中，開關電源模塊的輸入即前級隔離電源的輸出。經與隔離電源廠商溝通得知，該隔離電源具有欠壓保護功能，欠壓設定值約為23 V。當輸入電壓低于23 V 時，隔離電源不工作，各路輸出電壓為0；當輸入電壓高于23 V 時，隔離電源開始工作，各路輸出正常電壓值。當直流穩(wěn)壓電源輸出的28.5 V電壓由于設置不當限流時，相當于隔離電源輸入功率受到了限制，從而無法滿足輸出功率的需求。當隔離電源加電后，輸入電壓從0 V 開始上升，當上升至開啟電壓23 V 以上時，隔離電源開始工作，并將輸入功率傳遞到輸出端，此時+5 V 輸出電壓開始上升，輸出功率開始增加，當輸出功率增加至輸入功率無法滿足其需求時，輸入電壓就會被拉低（如圖5 中t1-t2 波形），當輸入電壓被拉低至23 V 以下時，隔離電源停止工作，+5 V輸出電壓開始下降（如圖5 中t2-t3 波形），直至輸入電壓再次上升至23 V 以上時，隔離電源再次開始工作，+5 V 輸出電壓開始上升，此后將重復先前過程，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 電源在經過隔離電源轉換后還經過了一級LC 濾波電路才進入開關電源模塊。由電感與電壓對應公式可知，隔離電源由于限流的原因，其輸出+5 V在不停地開關，這就導致電感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，由于電路板的負載是一定的，故+5 V 開關時其電流變化應該是相對穩(wěn)定的，因此電感L 的大小決定了開關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 軟件對該電路進行仿真，仿真原理圖如圖6 所示。在5 V 直流電壓源上疊加1 個0.5 V 的時鐘電壓源，將時鐘電壓源的頻率設置為1 kHz、上升時間為50 μs、下降時間為650 μs，以模擬實際+5 V 的輸出振蕩波形，L1 與C1 則與電路板上實際取值相同^[5]。

圖6 仿真原理圖

對上述電路進行瞬態(tài)仿真，仿真結果如圖7 所示，仿真圖形與示波器監(jiān)測波形相似。對該波形進行放大，如圖8。可見，由于電感的作用，在+5 V 振蕩波形上又疊加了1 個高頻振蕩波形，若該振蕩波形出現在原振蕩波形的波峰（5.5 V）上，則會導致該處電壓達到甚至超過6 V。

圖7 LC濾波仿真結果圖

圖8 LC濾波仿真結果圖仿真結果圖（放大）

綜合上述原理分析與仿真結果可知，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生了振蕩，但此時的振蕩峰值電壓尚未達到6 V，然而，由于開關電源模塊輸入LC 濾波電路中電感的作用，+5 V 電壓在輸入電源模塊時，在原振蕩波形上又疊加了1 個高頻振蕩，使得輸入電壓峰值達到甚至超過6 V（開關電源模塊的極限工作電壓），在反復的過壓沖擊下，最終導致開關電源模塊輸入端短路失效。

4   整改建議

通過上文的分析可知，本次開關電源模塊失效主要有兩方面原因：①直流穩(wěn)壓電源輸出電流設置不合理，導致輸出電流小于系統正常工作所需電流，從而引起了電源模塊輸入電壓的振蕩；②開關電源模塊輸入濾波電路設計不合理，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其極限工作電壓。因此，整改建議也主要針對上述原因展開：①系統加電前合理設置直流穩(wěn)壓電源的輸出電流，確保輸出電流值大于系統正常工作所需值，并留有足夠余量；②將開關電源模塊輸入LC 濾波改為單獨電容濾波，去除電感后對電路進行瞬態(tài)仿真，結果如圖9 所示?？梢娬袷幉ㄐ紊喜辉侬B加高頻振蕩，其峰值電壓不會超過6 V，即使直流穩(wěn)壓電源輸出限流造成+5 V 電壓振蕩，也不會導致DC/DC 開關電源模塊損傷。

圖9 電容濾波仿真結果

5   結束語

本文針對特定工作條件下直流穩(wěn)壓電源輸出限流造成開關電源模塊短路失效的問題，通過合理建立故障樹，準確定位了故障原因。從開關電源模塊及其外圍濾波電路工作原理入手，對開關電源模塊的失效原理進行了分析與仿真，并提出了修改建議。

參考文獻：

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[3] 徐敬勃,譚學謙,姜寧翔,等.開關電源拓撲在飛輪控制系統中的應用綜述[J].飛控與探測,2018,1(2):63-69.

[4] 葛立,修展,李帆.航天型號用直流開關電源失效分析研究[J].質量與可靠性,2018,197(5):24-26.

[5] 趙文杰.Multisim仿真實驗在電路分析中的應用[J].電子制作,2020(1):45-46.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年5月期）