開關電源模塊故障分析及其設計優(yōu)化

摘要：針對某開關電源模塊發(fā)生輸出濾波電容燒毀故障，本文通過實驗及理論分析對其進行故障原因確定，同時對輸出整流濾波電路的不同形式進行了評估對比，對原故障電源的設計進行優(yōu)化。其中對快恢復二極管反向恢復特性進行了簡要的闡述，針對快恢復二極管的特性進行了吸收網(wǎng)絡的彌補。主要對并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡，與串聯(lián)可飽和磁芯線圈進行了分析。

關鍵詞：開關電源;整流濾波;RC吸收網(wǎng)絡

1 試驗

1.1外觀檢查

對失效的電源模塊（old-1）樣品燒毀的部位進行外觀檢查，除C8電容有明顯燒毀跡象外并無其他明顯缺陷，如下圖1-1示。

1.2 元器件測試與分析

對電路元件進行檢測、分析，根據(jù)該電源板卡的工作原理，對可能出現(xiàn)故障的元器件檢測如下表1-1所示。

如上表1-1所示，所檢測元器件參數(shù)均滿足要求。

1.4電參數(shù)測試

對其更換電容后old-1樣品與未更換電容old-2樣品進行對比檢測，在該電源模塊的輸入端施加220V的交流電壓，在室溫（26.3℃）條件下，應用高精度萬用表測量其輸出電壓和輸出紋波，測量結果如表1-2所示。

現(xiàn)場要求該電源模塊輸出電壓的允許范圍為13.5V～15.5V，因此，從測試結果分析，兩個樣品的輸出電壓均能滿足現(xiàn)場要求。

2故障原因分析

檢測結果分析：

1）對比各分立元器件的標稱值和實測值，未發(fā)現(xiàn)異常，可排除被測元器件的問題;

2）檢查電路連接情況，未燒毀部位的線路未出現(xiàn)短路、斷路、焊接不良問題;燒毀部位的線路已經(jīng)無法追蹤短路、斷路、焊接不良問題;

3）電容器C8是唯一燒毀的元器件;

4）分析電路原理圖和板件實物，板件燒毀部位無功率元件，不存在電路工作發(fā)熱問題。

根據(jù)現(xiàn)場運行工況，故障發(fā)生時，保護該電源模塊的熔斷器并未動作，且電源模塊上的線路和其它元器件狀態(tài)良好，因此，可以排除電路中出現(xiàn)過電應力的情況。根據(jù)現(xiàn)場工程師的反饋，從該電源模塊投入運行以來，該電容的溫度運行在正常范圍內，因此，由溫度導致的失效可能性也較小。

綜上所述，該電源模塊失效發(fā)展過程如下：

C8電容是輸出整流二極管D2的高頻振蕩衰減網(wǎng)絡，使輸出的電流紋波降低。C8電容長期經(jīng)受尖峰電流的沖擊，在電應力作用下極易引起漏電流增大，耐壓特性下降，容量減小，嚴重時甚至會出現(xiàn)銀離子遷移，最終導致電容短路燒毀。

3 設計優(yōu)化

3.1快恢復二極管反向恢復特性

快恢復二極管正在通過大的正向電流而突加反向電壓時，反向阻斷能力的恢復特性如圖3-1所示。

（1）到t1瞬間電流過零，在載流子未消失之前，二極管未恢復阻斷能力，流過反向恢復電流。

（2）在t2瞬間，電流達到最大反向恢復電流，二極管開始恢復阻斷能力，開始承受反向電壓。

（3）在t2瞬間之后，承受反向電壓的能力迅速提高，反向恢復電流迅速下降，在電路電感中感性較高的電壓，加上電源電壓得到最大反向電壓。

（4）到t3瞬間，反相電流減小到最大反向電流的 ?。

3.2并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡

為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，常在二極管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。因為電路總是存在電感的（變壓器漏感或負載電感），所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞二極管。同時，避免電容器通過二極管放電電流過大，造成過電流而損壞二極管。

由于二極管過流過壓能力很差，如果不采取可靠的保護措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網(wǎng)絡就是常用的保護方法之一。

3.3 串接可飽和線圈磁芯線圈

在二次整流回路中，在整流二極管的支路中串接帶可飽和磁芯的線圈，可飽和磁芯線圈在通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小，不會影響電路正常工作，一旦電流要反向流過時，磁芯線圈將產生很大的反電勢，阻止反相電流的增大，因此將它與二極管串聯(lián)就能有效地抑制二極管的反相浪涌電流。目前已有超小型磁環(huán)成品，可以直接套在二極管的正極引線上，使用方便。

4 結論

該電源模塊上電容燒毀最可能的失效原因為電源設計上存在缺陷，在長期電應力的作用下，導致其發(fā)生擊穿燒毀。

該電源模塊現(xiàn)有輸出整流電路如圖3-1，C8電容直接并聯(lián)于二極管D2上，當開關閉合瞬間L1電感的電壓反向，瞬態(tài)高壓作用于二極管負極，此浪涌電流通過C8進行泄放，C8長期處于大電流工作狀態(tài)。在長期電應力的作用下，導致其發(fā)生擊穿燒毀。

目前業(yè)界采用的輸出整流部分有多種形式，較為簡單方便的為并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡，如圖3-2，在其C8電容處串聯(lián)一個電阻，抑制流過C8電容的浪涌電流，可大大提升C8電容的使用壽命。也可以在二極管處串聯(lián)可飽和磁芯線圈。也可以達到同樣的目的。

參考文獻

[1]趙同賀.新型開關電源典型電路設計與應用第二版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015

[2]周志敏，周紀海，紀愛華.高頻開關電源設計與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2008

[3]曲學基，曲敬鎧，于明揚.電力電子元器件應用手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016

[4]趙廣林.常用電子元器件識別/檢測/選用一讀通第三版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017

[5]汪文忠.深度掌握工業(yè)電路板維修技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013

作者簡介：費波濤（1982-），男，湖北仙桃人，實驗師，主要從事電子線路教學研究。