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某型电源组件低温下纹波电压超差的失效分析

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：王少博王国璋

[导读] 在工程应用中，电源组件的输出纹波电压经常被作为一个重要的技术指标进行分析研究。

陕西长岭电子科技有限责任公司陕西宝鸡王少博王国璋 721006

【摘要】在工程应用中，电源组件的输出纹波电压经常被作为一个重要的技术指标进行分析研究。直流电压本应该是一个固定的值，但是很多时候它都是通过交流电压整流、滤波得来的，由于滤波不彻底导致直流电压中混有交流成分。事实上，即使是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有纹波的。因此，针对电源组件输出纹波电压在各种条件下的分析变得尤为重要。
【关键词】 DC/DC模块纹波电压滤波
        1 概述
        在试验过程中，我们发现某型雷达产品在低温环境下(-45℃)工作时其小信号捕获能力受到干扰，经雷达整机测试和分析定位，判定该问题是由为雷达配套供电的电源组件-12VAVDD支路输出纹波电压超差引起的。
        2 问题定位
        2.1 问题确认
        雷达的技术指标要求在-45℃～+70℃工作条件下，电源组件必须保证其-12VAVDD支路的供电电流不大于200mA。因此，将模块置于-45℃环境下，在0mA～200mA内对负载进行调节，从0mA开始加载，10mA递增，同时测量该支路的输出纹波电压。当负载调节至20mA～100mA时，-12VAVDD支路的输出纹波电压为9.48mv，超过电源组件技术协议书中该支路输出纹波电压的要求值5mv。
        2.2 失效定位
        电源组件内部主要由EMI滤波电路、浪涌抑制电路、DC/DC模块(HM15DC28S12W、HM15DC28S05W和HM15DC28SR3W)、自检电路和逻辑控制电路等功能单元组成，其中核心单元为DC/DC模块。根据组件的工作原理，对-12VAVDD输出纹波超差建立故障树，主要从输入、输出和HM15DC28S12W模块方面查找原因。故障树如图1所示。

        A:对问题组件进行开盖检测，组件内部引出线排列整齐，未交叉、未松动，无异常，该条排除；
        B：组件通电监测VIN+，纹波小于20mV，与输入28V纹波基本一致，未见异常，该条排除；
        B2:输出滤波由3只滤波电容组成，对该3只滤波电容逐一测试，测试结果合格，该条排除；
        B3：对HM15DC28S12W模块进行测试，在28V输入40mA～100mA负载范围内，纹波测试值明显超出其他带载区间。更换该模块并将组件置于-45℃环境下再次进行测试，40mA～100mA负载范围内纹波有效值均低于5mV（指标要求）。可以确定，在-45℃环境下电源组件-12VAVDD支路输出纹波超差是由于HM15DC28S12W模块纹波超差造成的。
              HM15DC28S12W模块为单路输出电源，主要由输入滤波，辅助电源，PWM脉宽调制控制器，开关MOS，变压器，整流滤波电路，采样及误差放大电路和光电隔离反馈电路等组成，其原理框图见图2。

根据HM15DC28S12W模块电路工作原理，对该模块建立故障树进行分析，见图3.

        故障模式1：输入滤波电路是由电容C1、C2组成，电容虚焊或开路均会对输出纹波产生直接影响。经测试，电容值满足要求，该条排除。
        故障模式2：辅助电源为PWM脉宽调制控制器供电，控制器供电范围为：6.4V～20.0V。当辅助电路输出电压低于6.4V时，控制器自动关断；当辅助电路输出电压高于20.0V时，控制器内部电路会将供电电压钳至20.0V；若该电路无电压输出，则控制器不工作，HM15DC28S12W模块亦无输出。因此，由辅助电路引起纹波超差的可能性排除。
        故障模式3：PWM脉宽调制控制器主要功能是产生脉宽信号驱动开关管，脉宽是根据输出端负载的大小、输入电压的高低等参数由输出端反馈的电压误差信号实时进行调整，保证组件输出电压稳定并满足负载电路使用。对PWM脉宽调制控制器电路的周围电路进行分析和电路内各个元器件进行检测，测试结果均满足要求，也未发现器件虚焊和开路现象，故该条排除。
        故障模式4：开关电路内开关管出现短路或开路时，仅会导致模块无输出或输入短路，不会出现输出纹波超差的现象，故该条排除。
        故障模式5：输出整流电路出现短路或开路时，仅会导致模块无输出或输入短路；接触不良时，模块输出电压会瞬间跌落，但不会出现输出纹波超差的现象，故该条排除。
        故障模式6：输出滤波电路出现短路或开路时，当电路中的滤波电容中任意一个出现短路，均会引起模块无输出；当滤波电容中任意一个或多个出现开路时，输出电压纹波会变大。经过检测，该电路中的所有滤波电容容值均满足指标要求，故该条排除。
        故障模式7：对采样及误差放大电路和光电隔离反馈电路中的所有元器件进行检测，未发现虚焊、开路和测量指标超差的问题，故该条排除。
        故障模式8：功率变压器作为电路的核心器件，其主要作用是能量转换传送和隔离绝缘；在PWM脉宽调制控制器给开关管一定的驱动频率下，将初级的能量传送到次级，从而使次级得到感应电动势，经整流后输出电压。
        从原理分析，若变压器异常，将会导致模块输入短路、无输出电压、输出效率低和输出纹波电压超差等问题。
        根据变压器特性对其进一步分析，若是变压器初级绕组感量超差或漏感大，均可能引起反馈环路不稳，导致纹波电压输出超差。对变压器初级绕组感量进行单独测量，感量为5.1uH，与指标要求6±0.uH不符。更换感量指标正常的变压器，重新测量输出纹波，测量值满足指标要求。将更换了感量指标正常的变压器的HM15DC28S12W模块重新装入电源组件，在-45℃环境下测量-12VAVDD支路输出纹波电压，测量值满足指标要求。可以确认，造成此次电源组件低温下纹波电压超差的原因是HM15DC28S12W模块变压器感量异常造成的。
        2.3 机理分析
        变压器在使用过程中，受外界环境应力作用下，当磁芯粘接不良时，变压器感量减小，导致反馈环路出现变化，最终导致输出纹波电压超差，具体分析如下：
        a) 由于变压器磁芯粘接不牢靠，在机械应力或灌胶膨胀过程中，受力开裂，感量变小；
        b) 变压器感量为环路稳定的一部分，感量变化导致环路不稳定，区间纹波变大。
        3 结论
        电源组件低温下纹波超差是由于该组件内部-12VAVDD输出HM15DC28S12W模块纹波在40mA～100mA负载时超标，而HM15DC28S12W模块输出纹波超标是因为模块内变压器因粘接不牢导致其感量变小，造成模块内部电路不稳定，输出纹波超差且在-45℃时达到最大，使雷达小信号捕获能力受到干扰。
参考文献：
[1] 方佩敏张国华《最新集成电路应用指南》电子工业出版社
[2] 王锡吉《电子设备可靠性工程》       陕西科学技术出版社
[3] 《模拟集成电路应用》       人民邮电出版社