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電源模塊高溫失效原因
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作者:pmoaf1d4f
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發布時間: 2017-04-27
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DC/ DC 電源模塊（ 以下簡稱模塊），是一種運用功率半導體開關器件實現DC/ DC 功率變換的開關電源。
它廣泛應用于遠程及數據通信、計算機、辦公自動化設備、工業儀器儀表、軍事、航天等領域， 涉及到國民經濟的各行各業， 并在遠程和數字通信領域有著廣闊的應用前景。隨著電子技術的高速發展， 開關電源的應用領域越來越廣泛， 所工作的環境也越來越惡劣，統計資料表明， 電子元器件溫度每升高2℃， 可靠性下降10% , 溫升為50℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/ 6。本文所研究的電源模塊是中電集團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Interpoint 的MHF2815S+ 相比， 具有輸出效率高， 產生熱量少， 抗浪涌能力高等優點。
在DC/ DC 電源模塊電源結構中主要的元器件有：
脈寬調制器（ 控制轉換效率） 、光電耦合器（ 輸入與輸出隔離， 避免前后級干擾， 并傳遞取樣信息給PWM, 保持輸出電壓的穩定） 、VDMOS（ 功率轉換部件， 利用其良好的開關特性提高轉換效率） 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系
為了摸清電源模塊電學參數隨溫度變化的情況，首先對電源模塊整體進行加熱，測試其輸入電流、輸出電流、輸出電壓（ Vout ）電學參數，試驗條件：保持輸入電壓28 V，輸出負載15Ω ，輸出電流1 A；測試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發現模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。實驗證明，加熱溫度在50 ℃ ，V out 為14. 98 V; 溫度為142 ℃ 時，Vout 降為14. 90 V。此外，因為模塊的效率是其性能的重要指標，當效率下降到一定數值，模塊也會因為產生熱量過多而失效。為此計算了該試驗條件下模塊效率隨溫度的變化，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，呈現玻爾茲曼指數分布。在測試中發現當溫度升到150 ℃ ，模塊輸出電壓為零。
為了尋找導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， 根據模塊的電路， 選擇相應的元件搭建電路，該電路經過測試可以完成模塊的所有功能，同時因為非集成化，可以對其元件單獨測試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測試的條件。下面對電源模塊中的重要的元件單獨加熱，測試其電參數隨溫度的變化，同時測試電路V ou t 的變化。
2、元件溫度性能對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，同時還起到了電氣隔離的作用，變壓器的原邊與副邊線圈匝數比的不同可以達到升壓或降壓的作用。在模塊工作狀態下，由于磁芯的渦流效應，變壓器會產生很多的熱量，成為模塊熱量產生的主要來源。實驗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，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，當溫度達到220℃ ，磁芯溫度達到居里點，線圈的電感量迅速降為零。對于不同磁芯材料的變壓器其居里點溫度有所不同，對于此類變壓器，可知居里溫度在220℃附近。當變壓器溫度接近居里點時，變壓器電感量會迅速減小，會導致輸出電壓迅速下降。
實驗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部，測試變壓器的溫度，通過對測試數據處理，得到變壓器溫度與環境溫度的關系函數：y = 1. 18x +13。可見變壓器的溫度遠高于電源模塊的工作溫度。
當環境溫度為150℃，感溫線測試的結果約190℃，由于感溫線測試點是變壓器圓孔內部的空氣，不是變壓器的磁芯溫度，因此感溫線的測量結果比實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，因此當模塊的環境溫度超過150℃時，模塊中變壓器的溫度將達到變壓器磁芯的居里點溫度，此時模塊的輸出電壓幾乎為零。
2. 2 脈寬調制解調器（PWM）
PWM 的主要功能是根據輸出反饋， 調節脈沖波形的占空比， 并驅動功率器件， 從而得到穩定的直流輸出電壓。
在該型號電源模塊中， PWMSG3524 的功能是提供兩路方波信號給三極管和VDMOS, 并根據方波信號的寬度控制VDMOS 的導通與關斷時間。在此試驗中， 對電路工作狀態的PWMSG3524 單獨加溫， 并測試輸出方波信號與溫度的關系， 測得波形沒有明顯變化； 在加溫的同時對模塊的輸入、輸出電流電壓進行記錄， 發現隨著PWM 所在環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 導致電參數變化與模塊整體加熱電參數相比可以忽略。證明PWMSG3524 對模塊的溫度特性影響較小。
2. 3 VDMOS
VDMOS（ 垂直雙擴散場效應晶體管） 在模塊電路中作為開關器件， 在感性負載下工作， 承受高尖峰電壓和大電流， 具有較高的開關損耗和溫升， 其開關頻率可高達130 kHz, 在這樣高的頻率下工作， 可能引起內部多種退化機制， 導致VDMOS 的性能下降， 甚至失效。
在本實驗中對模塊中的VDMOS 單獨加溫， 測試模塊電學參數的變化， 通過測試得到當溫度到180℃時， 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。此外計算模塊的輸出效率， 判斷模塊是否處在正常工作狀態， 通過計算可到對VDMOS 單獨加熱到180℃ 時， 模塊的輸入電流迅速增加。而當溫度升至220℃， 輸出電壓幾乎沒有變化， 由于模塊在150 ℃已經失效， 而此時單獨加熱溫度已經高達180 ℃，遠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壓二極管， 整流二極管， 其中整流二極管在電壓轉換過程中扮演了重要的角色。在變壓器的輸出端， 兩個整流二極管在不同時段導通， 使交流脈動電壓轉換為直流脈動。在本實驗中， 對電路中的SBD 單獨加熱， 發現隨著溫度的升高， 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。它對輸入， 輸出電信號有良好的隔離作用。光耦一般由3 部分組成： 光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（ LED） , 使之發出一定波長的光， 它被光探測器接收而產生光電流， 再經過進一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉換， 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，電信號傳輸具有單向性等特點， 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， 同時將輸出端比較放大器輸出的電流信號傳輸到PWM的9 腳， 而9 腳是PWM 的補償端， 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。從而調整模塊的輸出電壓保持穩定。
在本實驗中， 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隨溫度的變化， 輸入端所加電流為11 mA, 結果表明在25 時，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%。
然后對工作狀態中模塊的光耦單獨加熱（ 模塊光耦較大， 可取下焊線后單獨加熱） , 測量模塊的輸出電壓。發現隨著溫度的升高， 模塊電壓逐漸下降， 且與模塊整體加熱時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， 隨著環境溫度的升高，電源模塊各元件的功耗增加， 將導致模塊的輸出電壓的下降， 此時應當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， 不能完全將負反饋的結果傳輸給PWM。使得PWM 輸出脈寬比實際較窄， 即電壓調整能力降低， 使輸出電壓隨環境溫度上升而下降 。
·
·綜上所述， 模塊溫度特性表現為： 在溫度小于150 的時候， 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； 當溫度大于150 時， 電源模塊輸出電壓迅速下降， 甚至輸出電壓幾乎為零， 其原因是此時模塊中變壓器的磁芯溫度接近居里點溫度（ 220 ） 。變壓器作用失效所引起。在此情況中， 如果模塊內部沒有產生其他的損傷， 當停止加熱， 模塊溫度恢復到室溫， 模塊重新加電， 模塊輸出電壓仍能恢復到正常值。然而， 對于本實驗中測試的模塊， 當環境溫度超過150 左右時， 由于模塊變壓器的磁芯溫度達到距離點， 使磁芯溫度升高， 該正反饋會使磁芯溫度迅速升高， 產生的熱量也更多， 造成模塊內部其它器件的損壞，很容易造成模塊的永久損毀。
它廣泛應用于遠程及數據通信、計算機、辦公自動化設備、工業儀器儀表、軍事、航天等領域， 涉及到國民經濟的各行各業， 并在遠程和數字通信領域有著廣闊的應用前景。隨著電子技術的高速發展， 開關電源的應用領域越來越廣泛， 所工作的環境也越來越惡劣，統計資料表明， 電子元器件溫度每升高2℃， 可靠性下降10% , 溫升為50℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/ 6。本文所研究的電源模塊是中電集團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Interpoint 的MHF2815S+ 相比， 具有輸出效率高， 產生熱量少， 抗浪涌能力高等優點。
在DC/ DC 電源模塊電源結構中主要的元器件有：
脈寬調制器（ 控制轉換效率） 、光電耦合器（ 輸入與輸出隔離， 避免前后級干擾， 并傳遞取樣信息給PWM, 保持輸出電壓的穩定） 、VDMOS（ 功率轉換部件， 利用其良好的開關特性提高轉換效率） 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系
為了摸清電源模塊電學參數隨溫度變化的情況，首先對電源模塊整體進行加熱，測試其輸入電流、輸出電流、輸出電壓（ Vout ）電學參數，試驗條件：保持輸入電壓28 V，輸出負載15Ω ，輸出電流1 A；測試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發現模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。實驗證明，加熱溫度在50 ℃ ，V out 為14. 98 V; 溫度為142 ℃ 時，Vout 降為14. 90 V。此外，因為模塊的效率是其性能的重要指標，當效率下降到一定數值，模塊也會因為產生熱量過多而失效。為此計算了該試驗條件下模塊效率隨溫度的變化，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，呈現玻爾茲曼指數分布。在測試中發現當溫度升到150 ℃ ，模塊輸出電壓為零。
為了尋找導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， 根據模塊的電路， 選擇相應的元件搭建電路，該電路經過測試可以完成模塊的所有功能，同時因為非集成化，可以對其元件單獨測試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測試的條件。下面對電源模塊中的重要的元件單獨加熱，測試其電參數隨溫度的變化，同時測試電路V ou t 的變化。
2、元件溫度性能對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，同時還起到了電氣隔離的作用，變壓器的原邊與副邊線圈匝數比的不同可以達到升壓或降壓的作用。在模塊工作狀態下，由于磁芯的渦流效應，變壓器會產生很多的熱量，成為模塊熱量產生的主要來源。實驗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，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，當溫度達到220℃ ，磁芯溫度達到居里點，線圈的電感量迅速降為零。對于不同磁芯材料的變壓器其居里點溫度有所不同，對于此類變壓器，可知居里溫度在220℃附近。當變壓器溫度接近居里點時，變壓器電感量會迅速減小，會導致輸出電壓迅速下降。
實驗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部，測試變壓器的溫度，通過對測試數據處理，得到變壓器溫度與環境溫度的關系函數：y = 1. 18x +13。可見變壓器的溫度遠高于電源模塊的工作溫度。
當環境溫度為150℃，感溫線測試的結果約190℃，由于感溫線測試點是變壓器圓孔內部的空氣，不是變壓器的磁芯溫度，因此感溫線的測量結果比實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，因此當模塊的環境溫度超過150℃時，模塊中變壓器的溫度將達到變壓器磁芯的居里點溫度，此時模塊的輸出電壓幾乎為零。
2. 2 脈寬調制解調器（PWM）
PWM 的主要功能是根據輸出反饋， 調節脈沖波形的占空比， 并驅動功率器件， 從而得到穩定的直流輸出電壓。
在該型號電源模塊中， PWMSG3524 的功能是提供兩路方波信號給三極管和VDMOS, 并根據方波信號的寬度控制VDMOS 的導通與關斷時間。在此試驗中， 對電路工作狀態的PWMSG3524 單獨加溫， 并測試輸出方波信號與溫度的關系， 測得波形沒有明顯變化； 在加溫的同時對模塊的輸入、輸出電流電壓進行記錄， 發現隨著PWM 所在環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 導致電參數變化與模塊整體加熱電參數相比可以忽略。證明PWMSG3524 對模塊的溫度特性影響較小。
2. 3 VDMOS
VDMOS（ 垂直雙擴散場效應晶體管） 在模塊電路中作為開關器件， 在感性負載下工作， 承受高尖峰電壓和大電流， 具有較高的開關損耗和溫升， 其開關頻率可高達130 kHz, 在這樣高的頻率下工作， 可能引起內部多種退化機制， 導致VDMOS 的性能下降， 甚至失效。
在本實驗中對模塊中的VDMOS 單獨加溫， 測試模塊電學參數的變化， 通過測試得到當溫度到180℃時， 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。此外計算模塊的輸出效率， 判斷模塊是否處在正常工作狀態， 通過計算可到對VDMOS 單獨加熱到180℃ 時， 模塊的輸入電流迅速增加。而當溫度升至220℃， 輸出電壓幾乎沒有變化， 由于模塊在150 ℃已經失效， 而此時單獨加熱溫度已經高達180 ℃，遠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壓二極管， 整流二極管， 其中整流二極管在電壓轉換過程中扮演了重要的角色。在變壓器的輸出端， 兩個整流二極管在不同時段導通， 使交流脈動電壓轉換為直流脈動。在本實驗中， 對電路中的SBD 單獨加熱， 發現隨著溫度的升高， 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。它對輸入， 輸出電信號有良好的隔離作用。光耦一般由3 部分組成： 光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（ LED） , 使之發出一定波長的光， 它被光探測器接收而產生光電流， 再經過進一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉換， 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，電信號傳輸具有單向性等特點， 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， 同時將輸出端比較放大器輸出的電流信號傳輸到PWM的9 腳， 而9 腳是PWM 的補償端， 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。從而調整模塊的輸出電壓保持穩定。
在本實驗中， 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隨溫度的變化， 輸入端所加電流為11 mA, 結果表明在25 時，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%。
然后對工作狀態中模塊的光耦單獨加熱（ 模塊光耦較大， 可取下焊線后單獨加熱） , 測量模塊的輸出電壓。發現隨著溫度的升高， 模塊電壓逐漸下降， 且與模塊整體加熱時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， 隨著環境溫度的升高，電源模塊各元件的功耗增加， 將導致模塊的輸出電壓的下降， 此時應當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， 不能完全將負反饋的結果傳輸給PWM。使得PWM 輸出脈寬比實際較窄， 即電壓調整能力降低， 使輸出電壓隨環境溫度上升而下降 。
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·綜上所述， 模塊溫度特性表現為： 在溫度小于150 的時候， 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； 當溫度大于150 時， 電源模塊輸出電壓迅速下降， 甚至輸出電壓幾乎為零， 其原因是此時模塊中變壓器的磁芯溫度接近居里點溫度（ 220 ） 。變壓器作用失效所引起。在此情況中， 如果模塊內部沒有產生其他的損傷， 當停止加熱， 模塊溫度恢復到室溫， 模塊重新加電， 模塊輸出電壓仍能恢復到正常值。然而， 對于本實驗中測試的模塊， 當環境溫度超過150 左右時， 由于模塊變壓器的磁芯溫度達到距離點， 使磁芯溫度升高， 該正反饋會使磁芯溫度迅速升高， 產生的熱量也更多， 造成模塊內部其它器件的損壞，很容易造成模塊的永久損毀。
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