DC/DC電源模塊高溫失效原因

0 引言

DC／DC電源模塊(以下簡稱模塊)，是一種運(yùn)用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)DC／DC功率變換的開關(guān)電源。它廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)擠的各行各業(yè)，并在遠(yuǎn)程和數(shù)字通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展r開關(guān)電源韻應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，所工作的環(huán)境也越來越惡劣，統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％，溫升為50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1／6。本文所研究的電源模塊是中電集團(tuán)第四十三所研制的廣泛用于軍工的一款高性能DC／DC電源模塊。與tnterlmint的MHF2815S+相比，具有輸出效率高，產(chǎn)生熱量少，抗浪涌能力高等優(yōu)點(diǎn)。

在DC／DC電源模塊電源結(jié)構(gòu)中主要的元器件有；脈寬調(diào)制器(控制轉(zhuǎn)換效率)、光電耦合器(輸入與輸出隔離，避免前后級(jí)干擾，并傳遞取樣信息給PWM，保持輸出電壓的穩(wěn)定)、VDMOS(功率轉(zhuǎn)換部件，利用其良好的開關(guān)特性提高轉(zhuǎn)換效率)和肖特基二極管(整流以及濾波，是功率輸出的主要部件)。

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不是很明顯，其變化趨勢是伴隨著溫度的升高，電源模塊的電壓逐漸減小，而且趨勢非常明顯，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)過測試可以完成模塊的所有功能，同時(shí)因?yàn)榉羌苫?，可以?duì)其元件單獨(dú)測試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測試的條件。下面對(duì)電源模塊中的重要的元件單獨(dú)加熱，測試其電參數(shù)隨溫度的變化，同時(shí)測試電路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，測試變壓器的溫度，通過對(duì)測試數(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℃，感溫線測試的結(jié)果約190℃，由于感溫線測試點(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，并測試輸出方波信號(hào)與溫度的關(guān)系，測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小；輸出電壓與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，測試模塊電學(xué)參數(shù)的變化，通過測試得到當(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)出一定波長的光，它被光探測器接收而產(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％，結(jié)果如圖4所示。

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)，測量模塊的輸出電壓，見圖5。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)測得的輸出電壓隨溫度上升而下降趨勢基本符合。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。

3 結(jié)語

綜上所述，模塊溫度特性表現(xiàn)為：在溫度小于150℃的時(shí)候，模塊的輸出電壓緩慢下降，原因是由于光耦電流傳輸比的下降引起；當(dāng)溫度大于150℃時(shí)，電源模塊輸出電壓迅速下降，甚至輸出電壓幾乎為零，其原因是此時(shí)模塊中變壓器的磁芯溫度接近居里點(diǎn)溫度(220℃)。變壓器作用失效所引起。在此情況中，如果模塊內(nèi)部沒有產(chǎn)生其他的損傷，當(dāng)停止加熱，模塊溫度恢復(fù)到室溫，模塊重新加電，模塊輸出電壓仍能恢復(fù)到正常值。然而，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中測試的模塊，當(dāng)環(huán)境溫度超過150℃左右時(shí)，由于模塊變壓器的磁芯溫度達(dá)到距離點(diǎn)，使磁芯溫度升高，該正反饋會(huì)使磁芯溫度迅速升高，產(chǎn)生的熱量也更多，造成模塊內(nèi)部其它器件的損壞，很容易造成模塊的永久損毀。