- 探究DC/DC电源模块高温失效原因
- 元件温度性能对?？槲露忍匦缘挠跋?/li>
- 测试电源?？槭涑龅缪褂牍ぷ魑露鹊墓叵?/li>
- 运用功率半导体开关器件实现DC／DC功率变换
0 引言
DC／DC电源?？?以下简称?？?，是一种运用功率半导体开关器件实现DC／DC功率变换的开关电源。它广泛应用于远程及数据通信、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经挤的各行各业，并在远程和数字通信领域有着广阔的应用前景。随着电子技术的高速发展r开关电源韵应用领域越来越广泛，所工作的环境也越来越恶劣，统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10％，温升为50℃时的寿命只有温升25℃时的1／6。本文所研究的电源?？槭侵械缂诺谒氖兄频墓惴河糜诰さ囊豢罡咝阅蹹C／DC电源模块。与tnterlmint的MHF2815S+相比，具有输出效率高，产生热量少，抗浪涌能力高等优点。
在DC／DC电源?？榈缭唇峁怪兄饕脑骷?；脉宽调制器(控制转换效率)、光电耦合器(输入与输出隔离，避免前后级干扰，并传递取样信息给PWM，保持输出电压的稳定)、VDMOS(功率转换部件，利用其良好的开关特性提高转换效率)和肖特基二极管(整流以及滤波，是功率输出的主要部件)。
1 电源?？槭涑龅缪褂牍ぷ魑露鹊墓叵?/strong>
为了摸清电源?？榈缪Р问嫖露缺浠那榭觯紫榷缘缭茨？檎褰屑尤龋馐云涫淙氲缌?、输出电流、输出电压(Vout)电学参数，试验条件：保持输入电压28V，输出负载15Ω，输出电流1A；测试输入电流与输出电压随温度的变化。发现横块的输出电压有较明显的下降，输入电流，输出电流的变化趋势不是很明显，其变化趋势是伴随着温度的升高，电源模块的电压逐渐减小，而且趋势非常明显，从图1中可见，加热温度在50℃，Vout为14．98 V；温度为142℃时，Vout降为14．90 V。此外，因为模块的效率是其性能的重要指标，当效率下降到一定数值，?？橐不嵋蛭攘抗喽АＮ思扑懔烁檬匝樘跫履？樾仕嫖露鹊谋浠?，从图2可见?？榈男?，随着温度的升高，变化趋势更加明显，开始较为缓慢，随着温度的升高而逐渐加快，呈现玻尔兹曼指数分布。在测试中发现当温度升到150℃，?？槭涑龅缪刮?。
[page]
2 元件温度性能对模块温度特性的影响
2．1 变压器
变压器在中不仅能传递能量，同时还起到了电气隔离的作用，变压器的原边与副边线圈匝数比的不同可以达到升压或降压的作用。在?？楣ぷ髯刺?，由于磁芯的涡流效应，变压器会产生很多的热量，成为?？槿攘坎闹饕丛础Ｊ笛橹惺紫炔馐粤吮溲蛊髟吆透北呦呷Φ牡绺辛克嫖露鹊谋浠?，如图3所示，从图3中可见随着温度的升高，线圈的电感量先增加，然后小幅下降，再小幅上升，在环境温度为220℃以前，变压器的原边与副本电感量的整体趋势是逐渐增加，当温度达到220℃，磁芯温度达到居壁点，线圈的电感量迅速降为零。对于不同磁芯材料的变压器其居里点温度有所不同，对于此类变压器，可知居里温度在220℃附近。当变压器温度接近居里点时，变压器电感量会迅速减小，会导致输出电压迅速下降。
为了校正环境温度与?？橐蜃陨壬叩奈露?，选择一模块，将模块外壳穿孔，并将感温线放到变压器的圆孔内部，测试变压器的温度，通过对测试数据处理，得到变压器温度与环境温度的关系函数：y=1．18x+13?？杉溲蛊鞯奈露仍陡哂诘缭茨？榈墓ぷ魑露?。当环境温度为150℃，感温线测试的结果约190℃，由于感温线测试点是变压器圆孔内部的空气，不是变压器的磁芯温度，因此感温线的测量结果比实际的变压器的温度要低很多，由此可以判断变压器的磁芯温度将接近居里点，因此当?？榈幕肪澄露瘸?50℃时，?？橹斜溲蛊鞯奈露冉锏奖溲蛊鞔判镜木永锏阄露龋耸蹦？榈氖涑龅缪辜负跷恪?br />
2．2 脉宽调制解调器(PWM)
PWM的主要功能是根据输出反馈，调节脉冲波形的占空比，并驱动功率器件，从而得到稳定的直流输出电压。
在该型号电源?？橹?，PWM-SG3524的功能是提供两路方波信号给三极管和VDMOS，并根据方波信号的宽度控制VDMOS的导通与关断时间。在此试验中，对电路工作状态的PWM-SG3524单独加温，并测试输出方波信号与温度的关系，测得波形没有明显变化；在加温的同时对?？榈氖淙?、输出电流电压进行记录，发现随着PWM所在环境温度的升高输入电流与输入电压变化都很小；输出电压与输出电流变化也很小，加热PWM导致电参数变化与?？檎寮尤鹊绮问啾瓤梢院雎?。证明PWM-SG3524对模块的温度特性影响较小。
2．3 VDMOS
VDMOS(垂直双扩散场效应晶体管)在?？榈缏分凶魑仄骷诟行愿涸叵鹿ぷ?，承受高尖峰电压和大电流，具有较高的开关损耗和温升，其开关频率可高达130 kHz，在这样高的频率下工作，可能引起内部多种退化机制，导致VDMOS的性能下降，甚至失效。
在本实验中对?？橹械腣DMOS单独加温，测试模块电学参数的变化，通过测试得到当温度到180℃时，输入电流随温度的升高有较为明显的增加。而输出电压、输出电流随温度的升高变化较小。此外计算模块的输出效率，判断模块是否处在正常工作状态，通过计算可到对VDMOS单独加热到180℃时，?？榈氖淙氲缌餮杆僭黾印６蔽露壬?20℃，输出电压几乎没有变化，由于?？樵?50℃已经失效，而此时单独加热温度已经高达180℃，远高于?？檎寮尤仁У奈露?，因此VDMOS的温度特性不是影响输出电压变化的原因。
2．4 二极管(SBD)
在?？橹惺褂玫亩苡形妊苟埽鞫?，其中整流二极管在电压转换过程中扮演了重要的角色。在变压器的输出端，两个整流二极管在不同时段导通，使交流脉动电压转换为直流脉动。在本实验中，对电路中的SBD单独加热，发现随着温度的升高，?？榈氖涑龅缪姑挥薪厦飨缘谋浠Ｒ虼四？樵诟呶鹿ぷ鞯幕肪诚?，SBD不是引起?？槭涑龅缪瓜陆档闹饕蛩?。
[page]
2．5 光电耦合器
光电耦合器(以下简称光耦)以光为媒介传输电信号。它对输入，输出电信号有良好的隔离作用。光耦一般由3部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，它被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。由于光耦输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
在模块中，光耦作为隔离输入、输出的重要部件，同时将输出端比较放大器输出的电流信号传输到PWM的9脚，而9脚是PWM的补偿端，它与比较器的反向输入端相连，控制PWM的11脚和14脚输出脉冲的宽度。从而调整?？榈氖涑龅缪贡３治榷ā?br />
在本实验中，首先测试模块中使用的光耦NEC2705的输入端电流与输出端电流的比例系数随温度的变化，输入端所加电流为11 mA，结果表明在25℃时，该光耦的电流传输比接近1：1，但是随着温度的升高，输入电流不变，输出端的电流逐渐减小，大约每升高10℃，光耦的电流传输比减小4％，结果如图4所示。
3 结语
综上所述，?？槲露忍匦员硐治涸谖露刃∮?50℃的时候，?？榈氖涑龅缪够郝陆担蚴怯捎诠怦畹缌鞔浔鹊南陆狄?；当温度大于150℃时，电源?？槭涑龅缪寡杆傧陆?，甚至输出电压几乎为零，其原因是此时?？橹斜溲蛊鞯拇判疚露冉咏永锏阄露?220℃)。变压器作用失效所引起。在此情况中，如果?？槟诓棵挥胁渌乃鹕耍蓖Ｖ辜尤?，?？槲露然指吹绞椅?，模块重新加电，模块输出电压仍能恢复到正常值。然而，对于本实验中测试的?？椋被肪澄露瘸?50℃左右时，由于?？楸溲蛊鞯拇判疚露却锏骄嗬氲悖勾判疚露壬?，该正反馈会使磁芯温度迅速升高，产生的热量也更多，造成?？槟诓科渌骷乃鸹?，很容易造成?？榈挠谰盟鸹?。
