混沌調(diào)制對開關(guān)電源使用壽命的影響研究

宋玉宏

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東佛山528333）

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混沌調(diào)制對開關(guān)電源使用壽命的影響研究

宋玉宏

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東佛山528333）

摘要：混沌調(diào)制用于開關(guān)電源可以抑制電磁干擾，但對開關(guān)電源使用壽命的影響分析目前存在空白。從開關(guān)變換器的失效模式中分析影響使用壽命的關(guān)鍵元器件及其失效模型，進(jìn)一步探討混沌調(diào)制對關(guān)鍵元器件的影響及導(dǎo)致元器件失效的原因，以及混沌失調(diào)產(chǎn)生的原因及其對系統(tǒng)使用壽命的影響，并通過仿真進(jìn)行驗證。

關(guān)鍵詞：混沌調(diào)制；開關(guān)電源；使用壽命

系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理技術(shù)（Prognostics And Health Management，PHM）是目前的研究熱點，其中，剩余使用壽命（Remaining Useful Life，RUL）預(yù)測技術(shù)尤其重要［1］。美國馬里蘭大學(xué)的先進(jìn)壽命周期工程研究中心（Center for Advanced Life Cycle Engineering：CALCE）是最早研發(fā)電子產(chǎn)品PHM技術(shù)的單位。針對當(dāng)時美軍標(biāo)Mil-HDBK-217所存在的一些問題，提出了基于失效物理（Physics of Failure，PoF）的電子系統(tǒng)可靠性研究理論。在PoF的基礎(chǔ)上，Michael Pecht教授提出了設(shè)備或系統(tǒng)的壽命預(yù)測與健康管理的概念［2］，強(qiáng)調(diào)失效預(yù)警、優(yōu)化維護(hù)、減少設(shè)備壽命周期成本等目標(biāo)。

開關(guān)電源由于尺寸小、重量輕、低功耗及高效率等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在電子、通信、電氣設(shè)備及控制設(shè)備等多個領(lǐng)域。電源的性能直接影響了電子產(chǎn)品的壽命，在使用過程中，電源面臨各種可能的惡劣條件和工作環(huán)境，它的故障和劣化失效是造成整個電子系統(tǒng)安全可靠問題的重要原因之一［3］。如2007年美國宇航局空間站項目小組報告，國際空間站突發(fā)電力故障，導(dǎo)致部分設(shè)備被迫斷電。2009年歐洲通訊衛(wèi)星組織在其官網(wǎng)上宣布，印度空間研究組織為其研發(fā)的一顆通信衛(wèi)星在發(fā)射五周后因電源系統(tǒng)失效而變成太空垃圾，等等。

1　開關(guān)電源失效及關(guān)鍵元器件

開關(guān)電源失效有多種模式，各種模式產(chǎn)生的后果不同，產(chǎn)生的機(jī)率也有區(qū)別。電源失效原因有過應(yīng)力、溫度、潮濕和過電流等，對系統(tǒng)的危害程度有臨界性和災(zāi)難性的。

大量開關(guān)電源可靠性研究文獻(xiàn)都認(rèn)為電源的大部分失效是由少數(shù)器件引起的［3-5］，特定器件失效的頻度可能與開關(guān)電源的拓?fù)洹⑵骷吞?、額定參數(shù)變化以及工作環(huán)境有關(guān)。通?？梢詣澐譃橐韵聨最惼骷簽V波電容、開關(guān)晶體管、整流二極管和電感器。這幾類器件失效所占的比例為：鋁電解電容占60%，開關(guān)晶體管占31%，電感器占6%，功率二極管占3%［5］?？梢娫诜治鲭娫词r，鋁電解電容與開關(guān)晶體管應(yīng)當(dāng)是重點關(guān)注的對象。

1.1電解電容

在開關(guān)電源中輸出濾波電容的主要作用是抑制在直流變換器中產(chǎn)生的高頻噪聲，電容因此承受噪聲紋波電壓。通常使用鉭電容和鋁電解電容。鉭電容體積小，可靠性高，但成本高。鋁電解電容容量大、成本低，但體積大。一般的開關(guān)電源常用鋁電解電容。鋁電解電容的主要參數(shù)包括電容量、等效串聯(lián)電阻ESR、紋波電流和溫度上升值［6］，其等效模型如圖1。

圖1電解電容等效模型

一個實際的電容模型包括電容C、等效并聯(lián)電阻EPR、等效串聯(lián)電阻ESR和電感Ls。C是電解電容陰極和陽極之間的理想電容，EPR代表了介質(zhì)損耗及兩個電極之間的漏電阻，ESR是電極及連接處的串聯(lián)電阻，Ls是引腳及連接處的等效電感。電容失效有開路、短路、電容量下降和ESR上升等模式，產(chǎn)生原因有外部應(yīng)力、過壓、大紋波電流、高溫以及長期使用等情況［7］。

1.2開關(guān)晶體管

有三種開關(guān)晶體管如：BJT、MOSFET、IGBT運用在開關(guān)電源上。每類晶體管具有特定的失效模式和比率［3］，BJT體積小、效率高，但工作頻率較低。而MOSFET和IGBT工作頻率較高，但體積和效率上沒有優(yōu)勢。因為一般開關(guān)電源具有較高的工作頻率，故MOSFET和IGBT應(yīng)用得較為普遍。以MOSFET為例分析其等效電路模型［8］，如圖2所示。

圖2 MOSFET的等效模型

Ron是實際MOSFET在導(dǎo)通狀態(tài)時漏極（drain）和源極（source）之間的電阻。Cgs、Cgd和Cds是柵-源極、柵-漏極和漏-源極電容。Lps是源極并聯(lián)電感，考慮了分布參數(shù)的影響。D是內(nèi)置體二極管。在MOSFET劣化甚至失效的過程中，熱應(yīng)力和電氣過應(yīng)力的影響是主要原因，它們都引起導(dǎo)通電阻Ron的增加。在熱應(yīng)力的影響下，載流子遷移的阻礙增加，運動減少了，即導(dǎo)通電阻增加。遷移減少導(dǎo)致載流子更分散，半導(dǎo)體材料特性和摻雜度對遷移產(chǎn)生影響。這些變化引起半導(dǎo)體開關(guān)特性的改變而導(dǎo)致過早失效。

2　混沌調(diào)制對關(guān)鍵元器件的影響

2.1電解電容

混沌調(diào)制的直流變換器在抑制EMI的同時會增大輸出電壓紋波，紋波將直接影響到輸出電解電容的性能，即對電解電容的參數(shù)選擇會提出更高的要求，電容器電荷能量公式為：

這里C為電容器容量，v為電容器兩端的電壓，w為電荷能量。設(shè)直流變換器輸出電壓的紋波脈動頻率為fR，電源輸出功率為Po，在一個脈動周期內(nèi)，電容先充電到最大值vp+，然后放電到最小值vp-，即產(chǎn)生的紋波電壓為vpp= vp+- vp-，根據(jù)式（1），存在如下表達(dá)式：

即紋波電壓與電容量成反比關(guān)系，如果電路產(chǎn)生了大的紋波電壓，需使用更大容量的電容把紋波電壓降下來，電容量越小紋波電壓越大。如果紋波電壓過高，則通過電容產(chǎn)生過高的紋波電流，從而導(dǎo)致電容內(nèi)部溫度升高，ESR增大，進(jìn)一步加劇紋波電壓的上升。同時，隨著溫度的上升，電解液汽化，經(jīng)電容器的封口部位向外泄漏，內(nèi)部的電解液不斷減少，電容量減小。隨著電解液量的減少，脈沖電流經(jīng)由時產(chǎn)生的發(fā)熱量增大，這樣電容量減小、ESR上升，進(jìn)一步加劇了劣化或失效過程。下示意圖3表示加劇劣化或失效的過程。因此得到，混沌調(diào)制系統(tǒng)在設(shè)計和使用上都要限制輸出電壓紋波的幅度，否則，過高的紋波電壓會加劇電解電容的失效，從而縮短整個開關(guān)電源產(chǎn)品的壽命。

圖3電容失效的過程

2.2功率開關(guān)元件

功率開關(guān)元件主要是指功率晶體管和二極管整流元件，選擇功率開關(guān)元件的重要參數(shù)是開關(guān)頻率?；煦缯{(diào)制模式主要混沌占空比調(diào)制和混沌頻率調(diào)制。

混沌占空比調(diào)制，頻率固定，但開關(guān)管驅(qū)動脈沖的占空比基于額定占空比上下波動，是混沌變化的。由于頻率值是常數(shù)，對開關(guān)元件的選擇沒有帶來額外的要求。

混沌頻率調(diào)制，頻率不固定，開關(guān)管的工作頻率在特定范圍內(nèi)混沌變化，基于額定值上下波動，對功率開關(guān)元件的選擇要求更高一些，需要功率開關(guān)元件的工作頻率具有較大裕量。

3　混沌調(diào)制失效對系統(tǒng)的影響

對一個混沌頻率調(diào)制的PWM控制系統(tǒng)，如果混沌調(diào)制失效，則使調(diào)制信號變?yōu)橹芷谛盘枺啾扔跇?biāo)準(zhǔn)的PWM技術(shù)，周期信號載波調(diào)制能降低EMI，但相比于混沌調(diào)制和隨機(jī)信號調(diào)制技術(shù)會降低抑制EMI的效果［9］。

3.1模擬混沌發(fā)生器的關(guān)鍵元件參數(shù)

模擬混沌信號發(fā)生器以圖4蔡氏電路為例。蔡氏電路中影響電路狀態(tài)的關(guān)鍵器件是電阻R，由于熱應(yīng)力、潮濕等原因，導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，進(jìn)而信號發(fā)生器可能進(jìn)入周期態(tài)，不能輸出正常的混沌信號。

圖4蔡氏電路

當(dāng)R = 1 600 Ω時，電路為混沌態(tài)，調(diào)節(jié)電阻R的參數(shù)使其阻值在25%以內(nèi)發(fā)生變化，測試電容C1與C2兩端的電壓相軌跡以做對比。圖5是電感L = 18 mH時用PROTUES軟件仿真得到的具體數(shù)據(jù)和相圖。

圖5蔡氏電路仿真

可見，電阻R的參數(shù)波動會對電路狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而直接影響混沌調(diào)制的效果，如果調(diào)制用的混沌信號脫離混沌態(tài)進(jìn)入周期態(tài)，將起不到混沌調(diào)制的作用。

3.2數(shù)字混沌發(fā)生器的芯片性能

由于數(shù)字混沌信號發(fā)生器應(yīng)用微控制器MCU或微處理器MPU集成電路，對浮點運算的處理都存在精度限制的范圍。芯片在運算浮點數(shù)過程中會丟失信息，如果運算精度高，則丟失的信息少。由于數(shù)字混沌信號的產(chǎn)生一般運用離散映射進(jìn)行數(shù)學(xué)迭代，迭代次數(shù)越多，則丟失的信息越多。芯片的浮點運算精度越高，變量保持混沌態(tài)的時間越長，但最終使迭代結(jié)果會表現(xiàn)出周期性，信號狀態(tài)如圖6所示。

圖6脫離混沌態(tài)進(jìn)入周期態(tài)的仿真信號

3.3軟件仿真

在混沌占空比調(diào)制方案中，如果混沌調(diào)制變成周期調(diào)制，將會影響EMI抑制的效果。調(diào)制占空比的表達(dá)式可以定義為

d（t）= D+△d（4）

D是常規(guī)PWM時的占空比，△d是調(diào)制PWM時產(chǎn)生的占空比偏移量。由式（4），當(dāng)△d為零時，PWM脈沖即為固定占空比D的常規(guī)PWM。當(dāng)△d混沌性變化時，則PWM脈沖也混沌性變化。當(dāng)△d周期性變化時，則PWM脈沖也周期性變化。如果混沌調(diào)制的外接混沌信號進(jìn)入周期態(tài)，則△d為混沌性變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛宰兓亩煦缯{(diào)制變?yōu)橹芷谛盘栒{(diào)制，周期性信號本身具有固定的頻率，其功率譜是斷續(xù)的，降低了集中在開關(guān)頻率及其諧波上的電磁干擾，但相比于混沌調(diào)制其擴(kuò)頻效果要差一些。

下面通過仿真觀察當(dāng)蔡氏電路圖4的電阻發(fā)生變化時，導(dǎo)致調(diào)制信號由混沌態(tài)到周期態(tài)時PWM脈沖和電感電流的變化。由蔡氏電路產(chǎn)生混沌信號接入直流Buck變換器的PWM控制模塊。圖7中依次從上至下是混沌態(tài)時信號vch、PWM、iL及其FFT波形。圖8依次從上至下是周期態(tài)時信號vch、PWM、iL及其FFT波形。

圖7混沌調(diào)制時Buck變換器的波形

由波形對比可以看出，當(dāng)蔡氏電路由于電阻R發(fā)生變化，由混沌態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷趹B(tài)，信號vch幅度明顯增大，PWM波形出現(xiàn)了周期性地脈沖丟失現(xiàn)象，iL波形呈周期變化趨勢，其FFT波形上基波及諧波處出現(xiàn)了明顯峰值，使抑制EMI的作用減弱。同時，由于原本混沌態(tài)的電路進(jìn)入周期態(tài)，使開關(guān)變換器系統(tǒng)中另外增加了一個意外的固定頻率信號，增加了電容、變壓器或電感等元件產(chǎn)生諧振的風(fēng)險。

4　結(jié)論

圖8周期調(diào)制時Buck變換器的波形

從故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的角度對DC-DC變換器的使用壽命問題進(jìn)行了研究。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出開關(guān)電源的最關(guān)鍵元器件是電解電容和開關(guān)晶體管。重點探討了混沌調(diào)制對電解電容和功率開關(guān)元件的影響。由于實際電解電容ESR的存在，混沌調(diào)制產(chǎn)生的輸出紋波對電解電容的使用壽命產(chǎn)生影響。不同的調(diào)制模式對功率開關(guān)元件的選擇和使用會產(chǎn)生不同的影響，但混沌調(diào)制占空比模式對功率開關(guān)元件基本沒有影響。從混沌調(diào)制失效間接影響電源使用壽命的角度，重點分析了模擬混沌信號發(fā)生器由于電路參數(shù)的離散性導(dǎo)致的混沌調(diào)制失效，以及數(shù)字混沌信號發(fā)生器由于MCU或MPU浮點運算精度的限制導(dǎo)致脫離混沌態(tài)。故開關(guān)電源的混沌調(diào)制發(fā)揮作用的兩個前提要求是：混沌調(diào)制必須保證輸出紋波在合理范圍內(nèi)；混沌調(diào)制所采用的混沌信號要避免脫離混沌態(tài)。

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［責(zé)任編輯：吳卓］

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The Influence of Chaotic Modulation on the Remaining Useful Life of Switching-Mode Power Supply

SONG Yuhong
（School of Electronics & Information Engineering, Shunde Polytechnic, Foshan Guangdong 528333, China）

Abstract:Chaotic modulation could be used to reduce electromagnetic interference with switching-mode power supply, but its influence on the remaining useful life of switching-mode power supply is yet to be examined. This paper focuses on the critical components and their failure mode resulting in the failure of switching converters. Analyses and simulations are further conducted on the influence of chaotic modulation towards the critical components and that of the possible failure of chaotic modulation to the system.

Key words:chaotic modulation; switching-mode power supply; remaining useful life

作者簡介：宋玉宏（1970—），女，湖北枝江人，副教授，研究方向：混沌控制用于開關(guān)電源的電磁干擾抑制。

基金項目：國家自然科學(xué)基金（61403264）。

收稿日期：2015-12-25

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.01.003

中圖分類號：TN86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-6138（2016）01-0008-05