特定工作条件下的开关电源模块失效分析

DC/DC（直流- 直流转换）开关电源模块是一种运用功率半导体开关器件实现功率转换的开关电源。它具有体积小、质量轻、功率密度高、转换效率高、可靠性高等优点，在计算机、通信等以及航天、航空等领域有着广泛的应用^[1]。然而，由于电源本身或外围电路设计不当、使用不当以及散热设计不合理等多种原因，均会造成开关电源模块在使用过程中发生失效。本文结合某特定工作条件下的失效案例，通过对该开关电源模块及其外围电路工作原理的分析，对其失效机理进行原理分析与仿真，对后续开关电源模块外围电路的设计和使用提出了建议。

1   失效背景

某型开关电源模块是一款开关模式的DC/DC 非隔离电源模块。模块内部集成了PWM 控制器、驱动、功率MOSFET 和滤波器件^[2]。模块将输入的+5 V 电压转换成1.2 V、2.5 V、3.3 V 等4 路输出。其在系统及单板上的工作工况如图1 所示。由直流稳压电源提供的28.5 V一次电源经系统内隔离电源变成+5 V二次电源，+5 V 电源在板上经一级LC 滤波后送至开关电源模块转换成各路输出电压供板上负载使用^[3]。

在系统某次测试时，由于直流稳压电源初始输出电流设置值小于系统正常启动所需电流，直流稳压电源发生了限流，将输出电流重新设置后再次加电，发现系统内电路板工作异常。用万用表测量开关电源模块输入+5 V 对地电阻，测试结果显示输入端对地短路，初步判断该开关电源模块已失效损坏。

图1 电源模块及其外围工作原理框图

2   故障树分析

针对该电源模块失效问题列出故障树，如图2 所示。

图2 故障树

X1 其他电路异常：指与开关电源模块使用相同+5 V 电源的板上其他电路异常导致的电源模块失效。

拆除失效的电源模块后，用万用表测量+5 V电源对地，阻值为4.07 kΩ，不再短路。更换新的DC/DC 电源模块后对电路板进行加电测试，电路功能恢复正常，因此可排除该底事件。

X2 负载异常：由于开关电源模块输出负载电路异常造成的电源模块失效。通过对X1 底事件的排查，即更换新的电源模块后电路功能恢复正常，同样可排除该底事件。

X3 内部异常：由于开关电源模块内部电路存在多余物、焊装异常等造成的电源模块失效。对失效模块进行X 光检查，结果如图3 所示，可见模块内部4 个通道相关元器件焊装规整，未见异常搭接、多余物等，可排除该底事件。

X4 输入异常：根据开关电源模块失效前经历过直流稳压电源限流这一特点，人为将直流稳压电源输出电流设置为小于电路正常工作所需电流，用示波器监测开关电源模块输入+5 V 电压，测试结果如图4 所示。+5 V 输出电压一直在约2.3 ～ 6 V 间来回振荡。经查询，该开关电源模块推荐最大工作电压为5.5 V，最大极限工作电压为6 V，因此不能排除该底事件。

图4 直流稳压电源限流时+5 V电压波形

综上所述，4 个底事件中可以排除同样使用+5 V电源的其他电路、开关电源模块内部及负载电路的影响，无法排除的底事件为开关电源模块输入过压异常^[4]。

3   失效原因及失效机理分析

3.1 开关电源模块输入电压振荡分析

由图1 可知，在整个系统中，开关电源模块的输入即前级隔离电源的输出。经与隔离电源厂商沟通得知，该隔离电源具有欠压保护功能，欠压设定值约为23 V。当输入电压低于23 V 时，隔离电源不工作，各路输出电压为0；当输入电压高于23 V 时，隔离电源开始工作，各路输出正常电压值。当直流稳压电源输出的28.5 V电压由于设置不当限流时，相当于隔离电源输入功率受到了限制，从而无法满足输出功率的需求。当隔离电源加电后，输入电压从0 V 开始上升，当上升至开启电压23 V 以上时，隔离电源开始工作，并将输入功率传递到输出端，此时+5 V 输出电压开始上升，输出功率开始增加，当输出功率增加至输入功率无法满足其需求时，输入电压就会被拉低（如图5 中t1-t2 波形），当输入电压被拉低至23 V 以下时，隔离电源停止工作，+5 V输出电压开始下降（如图5 中t2-t3 波形），直至输入电压再次上升至23 V 以上时，隔离电源再次开始工作，+5 V 输出电压开始上升，此后将重复先前过程，最终形成图5 所示的振荡波形。

图5 隔离电源输入与输出振荡波形

3.2 失效机理分析与仿真

如图1 所示，直流稳压电源输出的28.5 V 电源在经过隔离电源转换后还经过了一级LC 滤波电路才进入开关电源模块。由电感与电压对应公式可知，隔离电源由于限流的原因，其输出+5 V在不停地开关，这就导致电感L 上的电流不停地变化，等效电感量越大电压变化幅度越大，电流变化率越大电压变化幅度越大，由于电路板的负载是一定的，故+5 V 开关时其电流变化应该是相对稳定的，因此电感L 的大小决定了开关电源模块输入端电压的变化量，等效电感L 越大，输入端电压变化量越大。

用Multisim 软件对该电路进行仿真，仿真原理图如图6 所示。在5 V 直流电压源上叠加1 个0.5 V 的时钟电压源，将时钟电压源的频率设置为1 kHz、上升时间为50 μs、下降时间为650 μs，以模拟实际+5 V 的输出振荡波形，L1 与C1 则与电路板上实际取值相同^[5]。

图6 仿真原理图

对上述电路进行瞬态仿真，仿真结果如图7 所示，仿真图形与示波器监测波形相似。对该波形进行放大，如图8。可见，由于电感的作用，在+5 V 振荡波形上又叠加了1 个高频振荡波形，若该振荡波形出现在原振荡波形的波峰（5.5 V）上，则会导致该处电压达到甚至超过6 V。

图7 LC滤波仿真结果图

图8 LC滤波仿真结果图仿真结果图（放大）

综合上述原理分析与仿真结果可知，隔离电源输出的+5 V 电压在直流稳压电源限流情况下产生了振荡，但此时的振荡峰值电压尚未达到6 V，然而，由于开关电源模块输入LC 滤波电路中电感的作用，+5 V 电压在输入电源模块时，在原振荡波形上又叠加了1 个高频振荡，使得输入电压峰值达到甚至超过6 V（开关电源模块的极限工作电压），在反复的过压冲击下，最终导致开关电源模块输入端短路失效。

4   整改建议

通过上文的分析可知，本次开关电源模块失效主要有两方面原因：①直流稳压电源输出电流设置不合理，导致输出电流小于系统正常工作所需电流，从而引起了电源模块输入电压的振荡；②开关电源模块输入滤波电路设计不合理，LC 电路中的电感在原振荡波形上又引入了高频振荡，使得最终电源模块的输入电压超过其极限工作电压。因此，整改建议也主要针对上述原因展开：①系统加电前合理设置直流稳压电源的输出电流，确保输出电流值大于系统正常工作所需值，并留有足够余量；②将开关电源模块输入LC 滤波改为单独电容滤波，去除电感后对电路进行瞬态仿真，结果如图9 所示。可见振荡波形上不再叠加高频振荡，其峰值电压不会超过6 V，即使直流稳压电源输出限流造成+5 V 电压振荡，也不会导致DC/DC 开关电源模块损伤。

图9 电容滤波仿真结果

5   结束语

本文针对特定工作条件下直流稳压电源输出限流造成开关电源模块短路失效的问题，通过合理建立故障树，准确定位了故障原因。从开关电源模块及其外围滤波电路工作原理入手，对开关电源模块的失效原理进行了分析与仿真，并提出了修改建议。

参考文献：

[1] 刘滨,洪文鹏,王瑞芬,等.红外成像系统中带有距离修正的目标能量预测方法[J].飞控与探测,2020,3(2):59-63.

[2] 孙平川,孙红杏,曲培新,等.高压可调大范围开关电源设计与实现[J].电子设计工程,2020,28(4):172-184.

[3] 徐敬勃,谭学谦,姜宁翔,等.开关电源拓扑在飞轮控制系统中的应用综述[J].飞控与探测,2018,1(2):63-69.

[4] 葛立,修展,李帆.航天型号用直流开关电源失效分析研究[J].质量与可靠性,2018,197(5):24-26.

[5] 赵文杰.Multisim仿真实验在电路分析中的应用[J].电子制作,2020(1):45-46.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年5月期）