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DC/DC電源模塊高溫失效原因
2012-08-01
DC/DC電源模塊高溫失效原因
1 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關(guān)系
為了摸清電源模塊電學(xué)參數(shù)隨溫度變化的情況，首先對(duì)電源模塊整體進(jìn)行加熱，測(cè)試其輸入電流、輸出電流、輸出電壓(Vout)電學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)條件：保持輸入電壓28V，輸出負(fù)載15Ω，輸出電流1A；測(cè)試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現(xiàn)橫塊的輸出電壓有較明顯的下降，輸入電流，輸出電流的變化趨勢(shì)不是很明顯，-其變化趨勢(shì)是伴隨著溫度的升高，電源模塊的電壓逐漸減小，而且趨勢(shì)非常明顯，從圖1中可見，加熱溫度在50℃，Vout為14．98 V；溫度為142℃時(shí)，Vout降為14．90 V。此外，因?yàn)槟K的效率是其性能的重要指標(biāo)，當(dāng)效率下降到一定數(shù)值，模塊也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生熱量過多而失效。為此計(jì)算了該試驗(yàn)條件下模塊效率隨溫度的變化，從圖2可見模塊的效率，隨著溫度的升高，變化趨勢(shì)更加明顯，開始較為緩慢，隨著溫度的升高而逐漸加快，呈現(xiàn)玻爾茲曼指數(shù)分布。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升到150℃，模塊輸出電壓為零。
為了尋找導(dǎo)致電源模塊的輸出電壓隨溫度升高而明顯下降的主要元器件，根據(jù)模塊的電路，選擇相應(yīng)的元件搭建電路，該電路經(jīng)過測(cè)試可以完成模塊的所有功能，同時(shí)因?yàn)榉羌苫梢詫?duì)其元件單獨(dú)測(cè)試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測(cè)試的條件。下面對(duì)電源模塊中的重要的元件單獨(dú)加熱，測(cè)試其電參數(shù)隨溫度的變化，同時(shí)測(cè)試電路Vout的變化。
2 元件溫度性能對(duì)模塊溫度特性的影響
2．1 變壓器
變壓器在中不僅能傳遞能量，同時(shí)還起到了電氣隔離的作用，變壓器的原邊與副邊線圈匝數(shù)比的不同可以達(dá)到升壓或降壓的作用。在模塊工作狀態(tài)下，由于磁芯的渦流效應(yīng)，變壓器會(huì)產(chǎn)生很多的熱量，成為模塊熱量產(chǎn)生的主要來源。實(shí)驗(yàn)中首先測(cè)試了變壓器原邊和副邊線圈的電感量隨溫度的變化，如圖3所示，從圖3中可見隨著溫度的升高，線圈的電感量先增加，然后小幅下降，再小幅上升，在環(huán)境溫度為220℃以前，變壓器的原邊與副本電感量的整體趨勢(shì)是逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到220℃，磁芯溫度達(dá)到居壁點(diǎn)，線圈的電感量迅速降為零。對(duì)于不同磁芯材料的變壓器其居里點(diǎn)溫度有所不同，對(duì)于此類變壓器，可知居里溫度在220℃附近。當(dāng)變壓器溫度接近居里點(diǎn)時(shí)，變壓器電感量會(huì)迅速減小，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓迅速下降。
實(shí)驗(yàn)中還測(cè)試了電路中的輸入輸出的其他電感元件的電感量隨溫度的變化。在整個(gè)加熱階段，其他元件的電感量隨溫度變化很小，與變壓器電感量變化相比可以忽略。而且在變壓器電感量下降的階段，其他電感元件的電感量變化仍然較小。
為了校正環(huán)境溫度與模塊因自生熱升高的溫度，選擇一模塊，將模塊外殼穿孔，并將感溫線放到變壓器的圓孔內(nèi)部，測(cè)試變壓器的溫度，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，得到變壓器溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)：y=1．18x+13?？梢娮儔浩鞯臏囟冗h(yuǎn)高于電源模塊的工作溫度。當(dāng)環(huán)境溫度為150℃，感溫線測(cè)試的結(jié)果約190℃，由于感溫線測(cè)試點(diǎn)是變壓器圓孔內(nèi)部的空氣，不是變壓器的磁芯溫度，因此感溫線的測(cè)量結(jié)果比實(shí)際的變壓器的溫度要低很多，由此可以判斷變壓器的磁芯溫度將接近居里點(diǎn)，因此當(dāng)模塊的環(huán)境溫度超過150℃時(shí)，模塊中變壓器的溫度將達(dá)到變壓器磁芯的居里點(diǎn)溫度，此時(shí)模塊的輸出電壓幾乎為零。
2．2 脈寬調(diào)制解調(diào)器(PWM)
PWM的主要功能是根據(jù)輸出反饋，調(diào)節(jié)脈沖波形的占空比，并驅(qū)動(dòng)功率器件，從而得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。
在該型號(hào)電源模塊中，PWM-SG3524的功能是提供兩路方波信號(hào)給三極管和VDMOS，并根據(jù)方波信號(hào)的寬度控制VDMOS的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。在此試驗(yàn)中，對(duì)電路工作狀態(tài)的PWM-SG3524單獨(dú)加溫，并測(cè)試輸出方波信號(hào)與溫度的關(guān)系，測(cè)得波形沒有明顯變化；在加溫的同時(shí)對(duì)模塊的輸入、輸出電流電壓進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)隨著PWM所在環(huán)境溫度的升高輸入電流與輸入電壓變化都很?。惠敵鲭妷号c輸出電流變化也很小，加熱PWM導(dǎo)致電參數(shù)變化與模塊整體加熱電參數(shù)相比可以忽略。證明PWM-SG3524對(duì)模塊的溫度特性影響較小。
2．3 VDMOS
VDMOS(垂直雙擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管)在模塊電路中作為開關(guān)器件，在感性負(fù)載下工作，承受高尖峰電壓和大電流，具有較高的開關(guān)損耗和溫升，其開關(guān)頻率可高達(dá)130 kHz，在這樣高的頻率下工作，可能引起內(nèi)部多種退化機(jī)制，導(dǎo)致VDMOS的性能下降，甚至失效。
在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)模塊中的VDMOS單獨(dú)加溫，測(cè)試模塊電學(xué)參數(shù)的變化，通過測(cè)試得到當(dāng)溫度到180℃時(shí)，輸入電流隨溫度的升高有較為明顯的增加。而輸出電壓、輸出電流隨溫度的升高變化較小。此外計(jì)算模塊的輸出效率，判斷模塊是否處在正常工作狀態(tài)，通過計(jì)算可到對(duì)VDMOS單獨(dú)加熱到180℃時(shí)，模塊的輸入電流迅速增加。而當(dāng)溫度升至220℃，輸出電壓幾乎沒有變化，由于模塊在150℃已經(jīng)失效，而此時(shí)單獨(dú)加熱溫度已經(jīng)高達(dá)180℃，遠(yuǎn)高于模塊整體加熱失效的溫度，因此VDMOS的溫度特性不是影響輸出電壓變化的原因。
2．4 二極管(SBD)
在模塊中使用的二極管有穩(wěn)壓二極管，整流二極管，其中整流二極管在電壓轉(zhuǎn)換過程中扮演了重要的角色。在變壓器的輸出端，兩個(gè)整流二極管在不同時(shí)段導(dǎo)通，使交流脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動(dòng)。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)電路中的SBD單獨(dú)加熱，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，模塊的輸出電壓沒有較明顯的變化。因此模塊在高溫工作的環(huán)境下，SBD不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素。
2．5 光電耦合器
光電耦合器(以下簡(jiǎn)稱光耦)以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入，輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，它被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由于光耦輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
在模塊中，光耦作為隔離輸入、輸出的重要部件，同時(shí)將輸出端比較放大器輸出的電流信號(hào)傳輸?shù)絇WM的9腳，而9腳是PWM的補(bǔ)償端，它與比較器的反向輸入端相連，控制PWM的11腳和14腳輸出脈沖的寬度。從而調(diào)整模塊的輸出電壓保持穩(wěn)定。
在本實(shí)驗(yàn)中，首先測(cè)試模塊中使用的光耦NEC2705的輸入端電流與輸出端電流的比例系數(shù)隨溫度的變化，輸入端所加電流為11 mA，結(jié)果表明在25℃時(shí)，該光耦的電流傳輸比接近1：1，但是隨著溫度的升高，輸入電流不變，輸出端的電流逐漸減小，大約每升高10℃，光耦的電流傳輸比減小4％。
然后對(duì)工作狀態(tài)中模塊的光耦單獨(dú)加熱(模塊光耦較大，可取下焊線后單獨(dú)加熱)，測(cè)量模塊的輸出電壓，發(fā)現(xiàn)隨著溫度韻升高，模塊電壓逐漸下降，且與模塊整體加熱時(shí)測(cè)得的輸出電壓隨溫度上升而下降趨勢(shì)基本符合。通過分析可知，隨著環(huán)境溫度的升高，電源模塊各元件的功耗增加，將導(dǎo)致模塊的輸出電壓的下降，此時(shí)應(yīng)當(dāng)通過光耦連接的反饋電路，使得PWM輸出的脈寬增加，提高輸出端的電壓，但是由于光電耦合器的傳輸效率下降，不能完全將負(fù)反饋的結(jié)果傳輸給PWM。使得PWM輸出脈寬比實(shí)際較窄，即電壓調(diào)整能力降低，使輸出電壓隨環(huán)境溫度上升而下降。
1 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關(guān)系
為了摸清電源模塊電學(xué)參數(shù)隨溫度變化的情況，首先對(duì)電源模塊整體進(jìn)行加熱，測(cè)試其輸入電流、輸出電流、輸出電壓(Vout)電學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)條件：保持輸入電壓28V，輸出負(fù)載15Ω，輸出電流1A；測(cè)試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現(xiàn)橫塊的輸出電壓有較明顯的下降，輸入電流，輸出電流的變化趨勢(shì)不是很明顯，-其變化趨勢(shì)是伴隨著溫度的升高，電源模塊的電壓逐漸減小，而且趨勢(shì)非常明顯，從圖1中可見，加熱溫度在50℃，Vout為14．98 V；溫度為142℃時(shí)，Vout降為14．90 V。此外，因?yàn)槟K的效率是其性能的重要指標(biāo)，當(dāng)效率下降到一定數(shù)值，模塊也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生熱量過多而失效。為此計(jì)算了該試驗(yàn)條件下模塊效率隨溫度的變化，從圖2可見模塊的效率，隨著溫度的升高，變化趨勢(shì)更加明顯，開始較為緩慢，隨著溫度的升高而逐漸加快，呈現(xiàn)玻爾茲曼指數(shù)分布。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升到150℃，模塊輸出電壓為零。
為了尋找導(dǎo)致電源模塊的輸出電壓隨溫度升高而明顯下降的主要元器件，根據(jù)模塊的電路，選擇相應(yīng)的元件搭建電路，該電路經(jīng)過測(cè)試可以完成模塊的所有功能，同時(shí)因?yàn)榉羌苫梢詫?duì)其元件單獨(dú)測(cè)試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測(cè)試的條件。下面對(duì)電源模塊中的重要的元件單獨(dú)加熱，測(cè)試其電參數(shù)隨溫度的變化，同時(shí)測(cè)試電路Vout的變化。
2 元件溫度性能對(duì)模塊溫度特性的影響
2．1 變壓器
變壓器在中不僅能傳遞能量，同時(shí)還起到了電氣隔離的作用，變壓器的原邊與副邊線圈匝數(shù)比的不同可以達(dá)到升壓或降壓的作用。在模塊工作狀態(tài)下，由于磁芯的渦流效應(yīng)，變壓器會(huì)產(chǎn)生很多的熱量，成為模塊熱量產(chǎn)生的主要來源。實(shí)驗(yàn)中首先測(cè)試了變壓器原邊和副邊線圈的電感量隨溫度的變化，如圖3所示，從圖3中可見隨著溫度的升高，線圈的電感量先增加，然后小幅下降，再小幅上升，在環(huán)境溫度為220℃以前，變壓器的原邊與副本電感量的整體趨勢(shì)是逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到220℃，磁芯溫度達(dá)到居壁點(diǎn)，線圈的電感量迅速降為零。對(duì)于不同磁芯材料的變壓器其居里點(diǎn)溫度有所不同，對(duì)于此類變壓器，可知居里溫度在220℃附近。當(dāng)變壓器溫度接近居里點(diǎn)時(shí)，變壓器電感量會(huì)迅速減小，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓迅速下降。
實(shí)驗(yàn)中還測(cè)試了電路中的輸入輸出的其他電感元件的電感量隨溫度的變化。在整個(gè)加熱階段，其他元件的電感量隨溫度變化很小，與變壓器電感量變化相比可以忽略。而且在變壓器電感量下降的階段，其他電感元件的電感量變化仍然較小。
為了校正環(huán)境溫度與模塊因自生熱升高的溫度，選擇一模塊，將模塊外殼穿孔，并將感溫線放到變壓器的圓孔內(nèi)部，測(cè)試變壓器的溫度，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，得到變壓器溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)：y=1．18x+13?？梢娮儔浩鞯臏囟冗h(yuǎn)高于電源模塊的工作溫度。當(dāng)環(huán)境溫度為150℃，感溫線測(cè)試的結(jié)果約190℃，由于感溫線測(cè)試點(diǎn)是變壓器圓孔內(nèi)部的空氣，不是變壓器的磁芯溫度，因此感溫線的測(cè)量結(jié)果比實(shí)際的變壓器的溫度要低很多，由此可以判斷變壓器的磁芯溫度將接近居里點(diǎn)，因此當(dāng)模塊的環(huán)境溫度超過150℃時(shí)，模塊中變壓器的溫度將達(dá)到變壓器磁芯的居里點(diǎn)溫度，此時(shí)模塊的輸出電壓幾乎為零。
2．2 脈寬調(diào)制解調(diào)器(PWM)
PWM的主要功能是根據(jù)輸出反饋，調(diào)節(jié)脈沖波形的占空比，并驅(qū)動(dòng)功率器件，從而得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。
在該型號(hào)電源模塊中，PWM-SG3524的功能是提供兩路方波信號(hào)給三極管和VDMOS，并根據(jù)方波信號(hào)的寬度控制VDMOS的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。在此試驗(yàn)中，對(duì)電路工作狀態(tài)的PWM-SG3524單獨(dú)加溫，并測(cè)試輸出方波信號(hào)與溫度的關(guān)系，測(cè)得波形沒有明顯變化；在加溫的同時(shí)對(duì)模塊的輸入、輸出電流電壓進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)隨著PWM所在環(huán)境溫度的升高輸入電流與輸入電壓變化都很?。惠敵鲭妷号c輸出電流變化也很小，加熱PWM導(dǎo)致電參數(shù)變化與模塊整體加熱電參數(shù)相比可以忽略。證明PWM-SG3524對(duì)模塊的溫度特性影響較小。
2．3 VDMOS
VDMOS(垂直雙擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管)在模塊電路中作為開關(guān)器件，在感性負(fù)載下工作，承受高尖峰電壓和大電流，具有較高的開關(guān)損耗和溫升，其開關(guān)頻率可高達(dá)130 kHz，在這樣高的頻率下工作，可能引起內(nèi)部多種退化機(jī)制，導(dǎo)致VDMOS的性能下降，甚至失效。
在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)模塊中的VDMOS單獨(dú)加溫，測(cè)試模塊電學(xué)參數(shù)的變化，通過測(cè)試得到當(dāng)溫度到180℃時(shí)，輸入電流隨溫度的升高有較為明顯的增加。而輸出電壓、輸出電流隨溫度的升高變化較小。此外計(jì)算模塊的輸出效率，判斷模塊是否處在正常工作狀態(tài)，通過計(jì)算可到對(duì)VDMOS單獨(dú)加熱到180℃時(shí)，模塊的輸入電流迅速增加。而當(dāng)溫度升至220℃，輸出電壓幾乎沒有變化，由于模塊在150℃已經(jīng)失效，而此時(shí)單獨(dú)加熱溫度已經(jīng)高達(dá)180℃，遠(yuǎn)高于模塊整體加熱失效的溫度，因此VDMOS的溫度特性不是影響輸出電壓變化的原因。
2．4 二極管(SBD)
在模塊中使用的二極管有穩(wěn)壓二極管，整流二極管，其中整流二極管在電壓轉(zhuǎn)換過程中扮演了重要的角色。在變壓器的輸出端，兩個(gè)整流二極管在不同時(shí)段導(dǎo)通，使交流脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動(dòng)。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)電路中的SBD單獨(dú)加熱，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，模塊的輸出電壓沒有較明顯的變化。因此模塊在高溫工作的環(huán)境下，SBD不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素。
2．5 光電耦合器
光電耦合器(以下簡(jiǎn)稱光耦)以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入，輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，它被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由于光耦輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
在模塊中，光耦作為隔離輸入、輸出的重要部件，同時(shí)將輸出端比較放大器輸出的電流信號(hào)傳輸?shù)絇WM的9腳，而9腳是PWM的補(bǔ)償端，它與比較器的反向輸入端相連，控制PWM的11腳和14腳輸出脈沖的寬度。從而調(diào)整模塊的輸出電壓保持穩(wěn)定。
在本實(shí)驗(yàn)中，首先測(cè)試模塊中使用的光耦NEC2705的輸入端電流與輸出端電流的比例系數(shù)隨溫度的變化，輸入端所加電流為11 mA，結(jié)果表明在25℃時(shí)，該光耦的電流傳輸比接近1：1，但是隨著溫度的升高，輸入電流不變，輸出端的電流逐漸減小，大約每升高10℃，光耦的電流傳輸比減小4％。
然后對(duì)工作狀態(tài)中模塊的光耦單獨(dú)加熱(模塊光耦較大，可取下焊線后單獨(dú)加熱)，測(cè)量模塊的輸出電壓，發(fā)現(xiàn)隨著溫度韻升高，模塊電壓逐漸下降，且與模塊整體加熱時(shí)測(cè)得的輸出電壓隨溫度上升而下降趨勢(shì)基本符合。通過分析可知，隨著環(huán)境溫度的升高，電源模塊各元件的功耗增加，將導(dǎo)致模塊的輸出電壓的下降，此時(shí)應(yīng)當(dāng)通過光耦連接的反饋電路，使得PWM輸出的脈寬增加，提高輸出端的電壓，但是由于光電耦合器的傳輸效率下降，不能完全將負(fù)反饋的結(jié)果傳輸給PWM。使得PWM輸出脈寬比實(shí)際較窄，即電壓調(diào)整能力降低，使輸出電壓隨環(huán)境溫度上升而下降。
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