高會壯 陳 光 陳 波 李瑞媛

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

DC-DC電源作為電子系統(tǒng)的二次或三次電源，是電源母線與各單機系統(tǒng)之間的“橋梁”，起到為各個工作模塊提供工作電源的作用。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，以DC-DC轉(zhuǎn)換器為主體的開關(guān)電源以轉(zhuǎn)換率高、重量輕、體積小等優(yōu)勢逐步取代了傳統(tǒng)的線性電源。DC-DC電源模塊發(fā)展符合輕小型、智能化、長壽命等發(fā)展趨勢，是電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其可靠性將直接決定電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)绊懺O(shè)備任務(wù)的成敗，造成災(zāi)難性后果［1～2］。

軌道交通設(shè)備所受影響主要來源是溫度應(yīng)力與振動應(yīng)力，這些環(huán)境影響對內(nèi)部DC-DC電源模塊正常工作帶來威脅，導(dǎo)致其性能隨著工作時間逐步退化。比如在振動應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致基板受力不均，MOS管、二極管等表貼器件會產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致故障。另外，電應(yīng)力可能造成器件瞬間擊穿等失效情況，這些故障對設(shè)備的正常狀態(tài)影響非常大［3～4］。本文基于DC-DC電源模塊常見故障模式，選取典型器件進行仿真分析，確定故障診斷方法。

2 基于有限元的薄弱壞節(jié)識別

2.1 典型DC-DC電源模塊有限元建模

由于實際的DC-DC電源模塊內(nèi)部比較復(fù)雜，根據(jù)熱分析與振動分析的需要，內(nèi)部電阻在工作過程中不敏感，同時功率小，產(chǎn)熱不大，在振動環(huán)境中不容易受到影響。綜合考慮，主要器件為MOS開關(guān)管、二極管、變壓器、電感、電容與光電耦合器，同時包括基板［5，9］。

根據(jù)上面的分析，建立三維模型如圖1。

圖1 DC-DC電源模塊模型

2.2 熱仿真分析

2.2.1 熱源參數(shù)設(shè)置

DC-DC電源模塊中主要發(fā)熱元件為MOS開關(guān)管，肖特基二極管，變壓器與輸出電感［9，13］。下面對所有器件發(fā)熱進行情況進行分析。

1）MOS開關(guān)管

MOSFET主要參數(shù)包括漏極電流、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、漏源擊穿電壓等［6］。開關(guān)管的總損耗包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，由于MOS的開關(guān)損耗較小，將開關(guān)管的開關(guān)損耗略去。MOSFET的導(dǎo)通損耗Pcon為

式中，RDS(on)為MOSFET的導(dǎo)通電阻；Irms為電流有效值。本文中器件滿載時，MOS電流有效值為1.5A。導(dǎo)通電阻為0.3Ω。因此MOS平均損耗為0.675W。

2）肖特基二極管

二極管的損耗包括通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗，反向恢復(fù)損耗值較小，本文將其忽略。肖特基二極管的通態(tài)損耗PDR-on為

式中，為二極管正向?qū)▔航担粸槎O管輸出電流。一般情況，肖特基二極管的正向壓降約為0.7V，輸出電流約為0.6A。計算可得SBD的平均功率為PDR-on=0.21W。

3）變壓器

變壓器相當于由兩個多線圈的電感相互耦合而成，包括初級和次級。在交流磁化過程中，變壓器會發(fā)熱，主要損耗包括三種：磁滯損耗（Ph）、渦流損耗（Pe）和剩余損耗（Pc），即：

4）電感

由于繞線電阻的存在，電感器要消耗一定的能量。電感功耗的計算公式為

其中，L為電感值，I為電流，F(xiàn)為電路頻率。根據(jù)DC-DC電源模塊相關(guān)數(shù)據(jù)資料，輸出電感為3μH，電路頻率為300kHz，電流取A，計算可得功耗為1.40625W；輸入電感電流變化小，損耗不計。

2.2.2 結(jié)果分析

求解溫度場分析［7～8］，在25℃環(huán)境溫度下結(jié)果如圖2（a），溫度最高為85.5℃左右，集中在MOS管和輸出電感處。

環(huán)境溫度為50℃下結(jié)果如圖2（b），環(huán)境溫度達到80℃時的結(jié)果如圖2（c）。50℃時最高溫度為108.55℃，集中在MOS管與輸出電感以及二極管和變壓器上。80℃最高已經(jīng)達到135.7℃。經(jīng)過分析可知溫度集中較高的是MOS管和輸出電感，二極管與變壓器也比較高。

圖2 25℃、50℃、80℃熱分析結(jié)果

環(huán)境溫度為80℃時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖如圖3所示，最大應(yīng)力1.27*10-9MPa，主要集中在二極管、MOS管和陶瓷與底座連接處。

圖3 80℃熱應(yīng)力圖

通過以上分析，可以認為在溫度應(yīng)力影響下，主要影響DC-DC電源模塊發(fā)生故障的器件是MOS管、二極管、變壓器與輸出電感。

2.3 振動仿真

電子設(shè)備在收到振動環(huán)境影響的情況下，可能引起機械變形而產(chǎn)生損傷，或者發(fā)生疲勞斷裂，受到過應(yīng)力等產(chǎn)生裂紋。有些沖擊和碰撞是瞬時作用，瞬時加速度很大，瞬間作用力也就很大，對質(zhì)量較差的塑封元器件損害最大。同時對其中鍵合絲也有影響。

首先進行模態(tài)分析，模態(tài)分主要是對模塊的固有頻率進行分析。在振動分析之前，需要先進行模態(tài)分析，得到固有頻率，在此基礎(chǔ)上，施加振動量級PSD曲線，計算最終結(jié)果。對DC-DC電源模塊進行6階模態(tài)分析。在模態(tài)分析中，結(jié)構(gòu)上不包含激勵，結(jié)果是自由振動情況下的應(yīng)變。本文研究的DC-DC電源模塊的應(yīng)用主要為航空等國防裝備領(lǐng)域，在GJB l50對設(shè)備的隨機振動環(huán)境做了規(guī)定，在根據(jù)其中表述的噴氣式飛機振動環(huán)境設(shè)置PSD數(shù)值，進行仿真，結(jié)果如下。

圖4 隨機振動應(yīng)變圖

圖5 隨機振動應(yīng)力圖

由振動分析應(yīng)變和應(yīng)力圖來看，當電源模塊發(fā)生隨機振動時易導(dǎo)致輸出電感從底板脫落甚至損壞，導(dǎo)致電源模塊損壞。光耦、MOS管、PWM芯片和二極管處形變量也很大，而微小的形變都將導(dǎo)致這些器件產(chǎn)生裂紋或與焊錫層脫離，導(dǎo)致其功能故障，對整個電源模塊性能穩(wěn)定性也將產(chǎn)生影響。

綜合以上研究，結(jié)合實際失效案例中輸入電感與電容和變壓器失效情況非常少，最終確定影響DC-DC電源模塊失效情況的關(guān)鍵器件是：MOS管、二極管、輸出電感、光電耦合器以及PWM控制芯片。

3 狀態(tài)測試信號分析

3.1 敏感參數(shù)及仿真電路

根據(jù)熱應(yīng)力與振動應(yīng)力仿真，結(jié)合實際應(yīng)用中的失效情況，確定關(guān)鍵器件為MOS開關(guān)管、輸出電感、輸出電容、二極管和光電耦合器［14～15］。定義各器件狀態(tài)如表1。

表1 器件故障狀態(tài)定義

利用PSpice建立仿真電路［10～11］，仿真電路輸入電壓30V，輸出電壓5.86V電路原理圖如圖6。

圖6 DC-DC電源模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 測試信號

3.2.1 輸出端脈沖電流測試

設(shè)置仿真電路參數(shù)為向下電流脈沖500mA，初始電流為0，脈沖寬度100μs。設(shè)置掃描參數(shù)為輸出整流濾波中的電感L值，正常值為10mH，幅值為1.904V，振蕩個數(shù)N為2。在正常值基礎(chǔ)上分為四個模式，針對該電路設(shè)定正常輸出為不低于正常輸出電壓0.1V為正常范圍，仿真電路輸出值為5.877V。輸出端電流脈沖情況下，輸出電感對輸出振蕩信號個數(shù)無影響。如果輸出電感斷路則輸出為0，在脈沖輸出時產(chǎn)生上上的尖峰達到3.081V。

續(xù)流二極管斷路和短路仿真結(jié)果如下。結(jié)果表明，續(xù)流二極管斷路或者短路后，輸出電壓為0，當電流脈沖被注入時，短狀態(tài)會有阻尼震蕩曲線，斷路狀態(tài)會產(chǎn)生脈沖尖刺。

結(jié)果顯示，在輸出整體為0的基礎(chǔ)上，每到脈沖注入時會產(chǎn)生振蕩。

穩(wěn)壓二極管短路和短路情況如圖7。當電流脈沖被注入時，在短路狀態(tài)下會有一個阻尼振蕩曲線，且與續(xù)流二極管短路狀態(tài)不同的是在電路調(diào)整階段無任何輸出。在開路狀態(tài)下輸出表現(xiàn)為輸出略大于0，且會產(chǎn)生有一個尖峰脈沖。

圖7 續(xù)流二極管故障狀態(tài)仿真

圖8 穩(wěn)壓二極管故障狀態(tài)仿真

在輸出接近0的情況下，每到脈沖注入時產(chǎn)生突變。

通過以上分析，可以知道：輸出端電流脈沖對CTR測試結(jié)果較好，同時也可以反應(yīng)MOS管和二極管的情況；對輸出電感和輸出電容情況也有反映。

3.2.2 輸入端直流測試

直流電源可以直接檢測DC-DC電源模塊輸出是否符合標準。MOS管的導(dǎo)通電阻增加，會造成輸出電壓降低。MOS管斷路則輸出為0，短路輸出需要在輸入端設(shè)置一個防電源短路電阻，輸出結(jié)果為0。

圖9 MOS管故障狀態(tài)仿真

總結(jié)上述三種測試信號的影響，得到結(jié)果如下。

重要器件為輸出電感、輸出電容光電耦合器、MOS管、續(xù)流二極管和穩(wěn)壓二極管。

測試方法：

1）輸出電感，輸出電容都可以利用輸出端施加脈沖電流信號進行測試，記錄阻尼振蕩波形；

2）光電耦合器通過在輸出端施加脈沖電流信號，發(fā)現(xiàn)CTR值對阻尼振蕩次數(shù)N影響明顯；

3）MOS管狀態(tài)測試，可以利用直流電壓測試方法記錄輸出電壓值；

4）續(xù)流二極管和穩(wěn)壓二極管故障狀態(tài)只有短路和斷路兩種，直接利用輸出端施加脈沖電流信號，檢測輸出波形進行對比。

4 基于輸出電壓波形的故障診斷

4.1 光耦

光耦合器的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR＜50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流（IF＞5.0mA），才能正?？刂茊纹_關(guān)電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出［12］。一般規(guī)定半導(dǎo)體光電耦合器的CTR不得低于額定值的20%。該仿真電路的光耦CTR額定值為1.5，當光耦的CTR從1.0變化到3.0，輸出結(jié)果如表2。

表2 光耦CTR變化仿真數(shù)據(jù)

采用上節(jié)的仿真電路進行分析，當CTR為0時，輸出電壓降為4.44V，N為1。數(shù)據(jù)散點圖如圖10。

圖10 光耦CTR對阻尼振蕩的影響

根據(jù)圖中曲線，可知隨著CTR的減小，振蕩次數(shù)減小，這與前面瞬態(tài)分析結(jié)果C T R∝N2結(jié)果總趨勢相一致。當振蕩次數(shù)為3以下時，表明該電路的光耦CTR已經(jīng)低于0.8，小于額定值的20%，電路已經(jīng)處于失效狀態(tài)。

4.2 MOS管

設(shè)置MOS管有三種故障模式，Rds（on）增大、擊穿開路以及短路。所用IRF150型NMOS管模型中給定的Rd為1.031mΩ，Rd將會慢慢增大，導(dǎo)致最終電路失效。設(shè)置Rd從0.001Ω～3Ω，利用直流電壓測試，結(jié)果如表3（Rd單位Ω，輸出電壓為V）。

表3 MOS管Rd變化仿真數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)折線圖與經(jīng)過曲線擬合的結(jié)果如圖11所示。

圖11 MOS管故障輸出特性

擬合得到的公式為VOUT=4.5683e-2.029Rd，R2=0.9944，擬合結(jié)果非常好。我們可以認為，隨著Rd的減小，輸出電壓VOUT成指數(shù)減小。針對MOS管斷路與短路，則無輸出。

4.3 二極管

續(xù)流二極管和穩(wěn)壓二極管故障狀態(tài)只有兩種，先利用直流電壓測試，后用脈沖電流測試。續(xù)流二極管短路或者斷路都將導(dǎo)致無任何輸出。在直流電壓下穩(wěn)壓二極管短路與定性分析中一致，輸出電壓在0V振蕩。斷路輸出與定性分析中一致，電壓為160mV左右。

振蕩處為2.40V。斷路結(jié)果整體為0V，有向上的突變電壓。穩(wěn)壓二極管短路情況下，輸出整體為0V，有振蕩波形。斷路結(jié)果整體為160mV，有向上的突變電壓。

5 結(jié)語

本文提出了提出一種基于波形分析的針對DC-DC電源模塊故障模式識別方法。本文對DC-DC電源模塊進行電路仿真分析，得到測試信號的類型與施加方式，并確定了各內(nèi)部器件在不同測試信號下的響應(yīng)情況。通過對輸出電壓波形的分析，根據(jù)阻尼震蕩次數(shù)確定反饋回路中光電耦合器的故障狀態(tài)。同時根據(jù)輸出電壓值判斷MOS管的導(dǎo)通電阻情況，另外也對續(xù)流二極管和穩(wěn)壓二極管的故障狀態(tài)進行了仿真分析。得到結(jié)論：光電耦合器對輸出阻尼震蕩次數(shù)有影響，可以根據(jù)阻尼震蕩次數(shù)對光電耦合器狀態(tài)進行判斷；輸出電壓值水平可以判斷MOS管導(dǎo)通電阻大小情況。