基于噪聲測(cè)量技術(shù)的開關(guān)電源故障診斷方法研究*

王元月，賴其濤

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南紹興312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖南紹興312000）

基于噪聲測(cè)量技術(shù)的開關(guān)電源故障診斷方法研究*

王元月1*，賴其濤2

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南紹興312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖南紹興312000）

針對(duì)開關(guān)電源的功率器件MOS管工作在高功率大電流下易損壞，導(dǎo)致開關(guān)電源故障率高的問題，提出了一種利用噪聲測(cè)量技術(shù)來判斷其工作狀態(tài)的故障診斷新方法。建立了功率MOS器件的噪聲模型，設(shè)計(jì)了超低噪聲前置低頻放大器，對(duì)伊萊科S-15-12型開關(guān)電源測(cè)試，結(jié)果表明，該方法能夠測(cè)量到開關(guān)電源的低頻噪聲并準(zhǔn)確判斷其工作狀態(tài)，且在準(zhǔn)確率上較傳統(tǒng)方法提高了65%，為開關(guān)電源故障診斷提供了一種有效的方法。

開關(guān)電源；MOS器件；故障診斷；低頻噪聲

開關(guān)電源是以PWM控制集成電路和功率開關(guān)管MOSFET二者構(gòu)成并集成在一塊芯片上，利用PWM技術(shù)，控制開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間比率，保持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。功率開關(guān)管MOSFET作為開關(guān)電源的核心部件在電路中承擔(dān)不可替代的作用。然而，由于功率MOSFET在高功率、大電流且快速開關(guān)的工作狀態(tài)下，其導(dǎo)通電阻迅速增大，使得功率MOSFET管產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)致開關(guān)電源由于功率MOSFET軟擊穿而使得其無法正常工作［1］。因此，其可靠性是保證開關(guān)電源有穩(wěn)定的電壓輸出的關(guān)鍵。

正因?yàn)殚_關(guān)電源被廣泛應(yīng)用，同時(shí)對(duì)應(yīng)用電路的維修與維護(hù)提出了更高的要求。針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于噪聲測(cè)量技術(shù)的故障診斷方法，通過對(duì)開關(guān)電源工作原理的分析，建立功率MOSFET的噪聲模型［2］，并設(shè)計(jì)了用于開關(guān)電源噪聲檢測(cè)的噪聲測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠準(zhǔn)確地測(cè)量到開關(guān)電源的噪聲并且利用其噪聲功率譜對(duì)其進(jìn)行故障診斷，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源故障的早期故障預(yù)警提供一種可靠的方法。此種方法應(yīng)用直觀、快捷、診斷時(shí)間短，電路易恢復(fù)，并且適合用于大多數(shù)種類的開關(guān)電源的維修與維護(hù)。

項(xiàng)目來源：浙江省教育廳科研項(xiàng)目Y201534925

收稿日期：2015-08-25修改日期：2015-09-18

1　開關(guān)電源的基本原理及退化過程

開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖及各部分組成如圖1所示。

圖1　開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖

圖2為單片開關(guān)電源電路圖，當(dāng)輸入直流電壓220 V經(jīng)過變壓器T1的初級(jí)加到場(chǎng)效應(yīng)管Q2時(shí)，Q2控制極g若出現(xiàn)高電平，則Q2的源極s和漏極d就導(dǎo)通，即T1變壓器的初級(jí)就有電流通過，變壓器就有磁能被儲(chǔ)存。當(dāng)Q2的控制極g為低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的源極s和漏極d就斷開，這時(shí)由于變壓器儲(chǔ)存了磁能，就通過次極繞組的同名端經(jīng)過D2二極管整流后，再經(jīng)過L1、C3濾波對(duì)外輸出直流電壓為恒定12 V。由于Q2在關(guān)斷時(shí)，有高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，與輸入電壓和感應(yīng)電壓個(gè)量疊加共同作用在Q2上，因漏極電壓過高超過了它本身所能承受的極限值，使場(chǎng)效應(yīng)管損壞，為此在初級(jí)繞組兩端必須加鉗位電路進(jìn)行保護(hù)。

圖2　單片開關(guān)電源的電路原理圖

開關(guān)電源的故障從故障發(fā)生的時(shí)間歷程可分為兩類，分別為突發(fā)性故障和漸進(jìn)性故障［3］。突發(fā)性故障是由于系統(tǒng)外部原因?qū)ο到y(tǒng)沖擊造成的，它在發(fā)生前所表現(xiàn)的征兆是不明顯、缺乏確定性，不易監(jiān)測(cè)；漸進(jìn)性故障是由于系統(tǒng)參數(shù)的逐步退化引起的，這種故障能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)，在正常使用條件下，一般在開關(guān)電源有效壽命的后期表現(xiàn)出來。本文主要研究開關(guān)電源的漸進(jìn)性故障。

漸進(jìn)性故障是耗損性的，通常是由于元件耗損或缺陷不斷發(fā)展所導(dǎo)致的，隨著工作時(shí)間的增加，開關(guān)電源及其元件的性能不斷退化，導(dǎo)致開關(guān)電源的可靠性低。開關(guān)電源的故障規(guī)律表現(xiàn)為浴盆曲線，如圖3所示，依據(jù)狀態(tài)信息及故障信息對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行狀況進(jìn)行可靠性評(píng)估，給定某種控制閾值，若達(dá)到閾值則發(fā)出故障警告，采取相應(yīng)的預(yù)防性維修措施，否則繼續(xù)工作，同時(shí)，如果運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障［4］。則立即進(jìn)行維修，維修后系統(tǒng)如新，狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖3　可靠性浴盆曲線

2　噪聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建模

針對(duì)單片開關(guān)電源的低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)采用精密半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀 Agilent 4156C作為直流電壓源通過低通濾波器給待測(cè)設(shè)備（DUT）提供偏置，采用SR570低噪聲前置放大器對(duì)噪聲信號(hào)放大，且通過其內(nèi)部電源為被測(cè)CMOS反相器提供漏極偏壓，反相器源極接地，最后采用Agilent 35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)放大后的噪聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換FFT，得到噪聲功率譜密度［5］。

圖4　單片開關(guān)電源的低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)

功率MOS器件是一種表面效應(yīng)器件，表面載流子漲落是其1/f噪聲的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在多數(shù)情況下，1/f噪聲是由于OMTC（Oxidizing Material Trap Charges）中的載流子數(shù)波動(dòng)引起的，而且溝道內(nèi)遷移率升降對(duì)其也有很大的影響［6］。其低頻噪聲通常表現(xiàn)為1/f噪聲、g-r噪聲、白噪聲等的疊加，式（1）為它的功率譜密度［7］。

式中：A是白噪聲值；B是1/f噪聲幅值；α為1的常數(shù)；Ci表示g-r噪聲的幅度；foi為第i個(gè)g-r噪聲的轉(zhuǎn)折頻率；N為g-r噪聲的量度。因而，功率MOS管能否正常工作，可通過其1/f噪聲表現(xiàn)來判斷，功率MOS器件的1/f噪聲特征如圖5所示。

圖5　功率MOS器件的1/f噪聲特征

3　低噪聲前置放大器設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試要求，本文設(shè)計(jì)的放大器所遵循的原則為：首先要選擇等效輸入端噪聲電壓En和電流In盡量小的低噪聲器件，同時(shí)要考慮到信號(hào)源（這里是被測(cè)噪聲源）的噪聲匹配，即最佳源阻抗應(yīng)與信號(hào)源阻抗的匹配。從而保證前置級(jí)工作在最小噪聲狀態(tài)；其次，根據(jù)非噪聲質(zhì)量指標(biāo)水平來對(duì)放大鏈后級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)一般增益情況和整體性能的要求來決定采取的放大形式和鏈長等［8］。

根據(jù)弗里斯（Friis）公式：

可知，在整個(gè)放大電路中，首級(jí)放大電路對(duì)噪聲系數(shù)的影響是最大的，所以輸入級(jí)的噪聲性能設(shè)計(jì)得好，則整個(gè)放大器的性能就會(huì)提升［9］。為了降低放大器背景噪聲，輸入級(jí)電路要具有較大的開環(huán)電壓增益和短路電流增益，因此，本文前置放大器選取共射組態(tài)［5］。

在低噪聲設(shè)計(jì)中，為減小從放大電路引入器件噪聲，避免其對(duì)DUT的噪聲信號(hào)產(chǎn)生影響，需要精心選擇放大電路的元器件，采用蓄電池供電，并且各器件及連接導(dǎo)線接頭的焊點(diǎn)力求表面光滑，無尖角及突起，應(yīng)在外面刷絕緣漆進(jìn)行密封保護(hù)，以減少從焊點(diǎn)引入的外部噪聲影響。電阻用線繞電阻器，使其最大化降低噪聲［10］。

當(dāng)DUT的阻抗較低時(shí)，BJT常應(yīng)用在放大器的輸入級(jí)，這是因?yàn)橄鄬?duì)于其他器件，它具有較低的等效輸入電壓噪聲。但是當(dāng)DUT的阻抗高于100歐姆時(shí)，JFET常應(yīng)用在放大器的輸入級(jí)，由于采用互功率譜測(cè)量方法可以有效的消除放大器的等效輸入電壓噪聲，為提高設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍，本文中選用JFET組成的差分電路作為輸入級(jí)我們采用TOSHIBA公司生產(chǎn)的2SK170組成差分電路，2SK170（en=0.95 nV/Hz，f=1 kHz），VG（Soff）電壓范圍是-1.5 V～-0.2 V，IGSS最大為1 nA。第二級(jí)采用了TI公司生產(chǎn)的INA114，它可以根據(jù)需要進(jìn)行不同放大倍數(shù)的設(shè)定，可供選擇的放大倍數(shù)為1～10 000，為方便計(jì)算我們采用了3個(gè)典型值：100倍、1 000倍、10 000倍。具體電路圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　前置放大器電路原理圖

4　測(cè)試結(jié)果

在低頻噪聲測(cè)量領(lǐng)域，放大器的等效輸入噪聲EIVN（The Equivalent Input Voltage Noise）是衡量放大器性能的重要指標(biāo)［11］，所以，要進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，首先對(duì)低噪聲前置放大器的性能進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，該放大器與鎖相放大器和PE15A相比，其噪聲性能明顯好于二者。證明該放大器在實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻噪聲測(cè)量并將該小信號(hào)放大上，存在著性能上的顯著優(yōu)勢(shì)。其EIVN譜情況如圖7所示。

圖7　前置放大器的EVIN對(duì)比圖

利用前文所提方法，對(duì)一臺(tái)伊萊科S-15-12型單片開關(guān)電源進(jìn)行多次低頻噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，其噪聲譜表現(xiàn)出隨著頻率的增加幅值減小的特性，因此可判定本次的實(shí)驗(yàn)的單片開關(guān)電源的噪聲譜主要表現(xiàn)為1/f噪聲，同時(shí)，由測(cè)試08、13、19可以看出，其中也含有部分的g-r噪聲，這表明了單片開關(guān)電源內(nèi)部存在潛在故障隱患，這表現(xiàn)出的是一種漸進(jìn)性故障，并且由測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算電流傳輸比可知，該單片開關(guān)電源的可靠性較低［12］，在惡劣的點(diǎn)環(huán)境下易出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整機(jī)癱瘓，不能正常工作。所以在工作的過程中要監(jiān)測(cè)上述關(guān)鍵參數(shù)來保證開關(guān)電源工作在正常狀態(tài)下。

表1　低頻噪聲功率譜測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)單片開關(guān)電源的低頻噪聲測(cè)量故障診斷方法。分析了單片開關(guān)電源的工作原理及失效退化過程，設(shè)計(jì)了低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)，并且建立了功率MOS器件的噪聲模型。提出了一種文中所提的低噪聲前置放大器性能優(yōu)異，可滿足對(duì)單片開關(guān)電源低頻噪聲測(cè)量的需要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于噪聲測(cè)量技術(shù)的開關(guān)電源故障診斷方法準(zhǔn)確地提取到噪聲數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)方法提高了65%，為開關(guān)電源的可靠性評(píng)估及故障診斷提供了一種可行及有效的手段。

［1］ 陳曉娟，王文婷，景非.基于低頻噪聲檢測(cè)光耦器件可靠性的頻域篩選方法［J］.電子器件，2015，38（1）：58-62.

［2］ Wu Y L，Lin S T.Two-Trap-Assisted Tunneling Model for Post Breakdown I-V Characteristics in Ultrathin Silicon Dioxide［J］. IEEE Trans Devices Mater Reliab，2006，6（1）：75.

［3］ 陳文豪.電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012. Chen Wenhao.A Study of Electronic Device Low-Frequency Noise Measurement Technology and the Application［D］.Xi'an：Xidian University Doctoral Dissertation，2012.

［4］ Scandurra G，Giusi G，Ciofi C.Multichannel Amplifier Topologies for High-Sensitivity and Reduced Measurement Time in Voltage Noise Measurements［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2013，62（5）：1145-1153.

［5］ 劉遠(yuǎn)，陳海波，何玉娟，等.電離輻射對(duì)部分耗盡絕緣體上硅器件低頻噪聲特性的影響［J］.物理學(xué)報(bào)，2015，7：393-398.

［6］ Scandurra G，Ciofi C.Multi-Cannel Cross-Correlation for Increasing Sensitivity in Voltage Noise Measurements［C］//IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference （I2MTC），2012：1524-1528.

［7］ 劉遠(yuǎn)，吳為敬，李斌，等.非晶銦鋅氧化物薄膜晶體管的低頻噪聲［J］.物理學(xué)報(bào)，2014，9：422-427.

［8］ Scandurra G，Ciofi C.Impedance Meter Based on Cross-Correlation Noise Measurements［C］//2011 21st International Conference on Noise and Fluctuations（ICNF），2011：381-384.

［9］ 陳曉娟，賈明超，隋吉生.改進(jìn)型低頻噪聲測(cè)量方法研究［J］.電測(cè)與儀表，2014（8）：60-64.

［10］Shukla S Pandey.Qualitative Study of a New Circuit Model of Small-Signal Amplifier Using Sziklai Pair in Com-Configuration ［J］.Semiconductor Electronics（ICSE），2012：563-569.

［11］陳文豪，杜磊，莊奕琪.電子器件散粒噪聲測(cè)試方法研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60（5）：1-8. Chen Wenhao，Du Lei，Zhuang Yiqi.Shot Noise Measurement MethodsinElectronicDevices［J］.ActaPhysicaSinica，2011，60（5）：1-8.

［12］陳曉娟，陳東陽，申雅茹.基于低頻噪聲測(cè)量的UPS故障診斷方法［J］.電子器件，2015，38（2）：424-428.

王元月（1977-），女，漢族，貴州畢節(jié)，碩士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娫醇夹g(shù)，wangyuanyue1106@163.com。

Research of Switch Power Supply Fault Diagnosis Method Based on Noise Measurement Technology*

WANG Yuanyue1*，LAI Qitao2
（1.Mechanical&Electrical Engineering College，Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing Hu'nan 312000，China；2.College of Information Engineering，Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing Hu'nan 312000，China）

The MOS devices，as a core of the switching power supply，working in high power electromagnetic flow is easy to be damaged，which can make the switching power supply work anormally，the problem of a proposed noise measuring technology of high failure rate is used to judge the working condition.This new method of fault diagnosis established a power MOS device noise model，designed the low noise front low frequency amplifier，and tested S-15-12 of Ilecco type switching power supply.The results show that the method can measure the low frequency noise of switching power supply and accurately determine its working status，and increase 65%than the traditional methods on accuracy.The typical fault diagnosis method of switching power supply provides a feasible and effective evaluation method.

switching power supply；MOS device；fault diagnosis；low frequency noise

TN36；TN386.1

A

1005-9490（2016）03-0723-05

EEACC：6230；814010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.043