DC-DC電源模塊的失效分析

【摘" 要】文章以隔離型DC-DC電源模塊在實(shí)際使用中發(fā)生的功能失效作為研究背景。首先，介紹該電源模塊的啟動(dòng)電路和工作原理。其次，通過(guò)電源模塊實(shí)物拆解和元器件分析，定位到穩(wěn)壓二極管故障。最后，針對(duì)二極管故障追溯其失效原因，同時(shí)給出電源模塊的設(shè)計(jì)和使用建議。

【關(guān)鍵詞】電源模塊;穩(wěn)壓二極管;泄漏電流;實(shí)際失效

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）12-0033-03

Failure Analysis of DC-DC Power Module*

【Abstract】Based on the research background of the failure of isolated DC-DC power module in practical use， the starting circuit and working principle of the power module are introduced. Through the disassembly analysis of the power module， the fault of the voltage regulator diode of the component is found， the failure reason is analyzed， and the design and use of the power module are given.

【Key words】power module;zener diode;leakage current;actual failure

DC-DC（直流/直流轉(zhuǎn)換）電源模塊是一種通過(guò)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)DC/DC功率變換的開(kāi)關(guān)電源，廣泛應(yīng)用于通信、汽車(chē)和航天等領(lǐng)域。其不僅是電子器件的電源供給，更是系統(tǒng)正常工作和性能發(fā)揮的基本保障。因此，電源模塊的失效分析對(duì)于提高電子器件、控制系統(tǒng)的品質(zhì)和可靠性尤為重要。目前不同專(zhuān)業(yè)、多位學(xué)者對(duì)電源模塊都進(jìn)行了解剖式的失效分析，其中李華霖等[1]采用了布朗漂移運(yùn)動(dòng)和阿倫尼斯模型，在60～80℃的不同溫度點(diǎn)對(duì)電源模塊進(jìn)行加速退化試驗(yàn)，以確認(rèn)其退化特征是否與高溫有影響，最終發(fā)現(xiàn)內(nèi)部片式電容器端頭機(jī)械斷裂，表明斷裂與電源模塊線路板局部形變應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力來(lái)源與試驗(yàn)中的持續(xù)高溫有關(guān)，也與電源模塊組裝工藝異常所致的應(yīng)力殘存有關(guān)。王堅(jiān)等[2]通過(guò)可靠性三綜合摸底試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電源模塊失效，檢查外觀發(fā)現(xiàn)引線柱絕緣子出現(xiàn)碎裂，開(kāi)蓋檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部引線柱和基板上焊盤(pán)間的連接焊點(diǎn)有裂紋，通過(guò)安裝方向的受力分析及試驗(yàn)證明管腳剪切力大，提出元器件加固改進(jìn)方法。侯雪川等[3]分析了功率開(kāi)關(guān)器件在電源模塊內(nèi)部失效的主要原因，啟封失效產(chǎn)品，露出其內(nèi)部實(shí)體結(jié)構(gòu)，經(jīng)逐步排查發(fā)現(xiàn)，該模塊主回路中的功率開(kāi)關(guān)（場(chǎng)效應(yīng)管）發(fā)生失效，場(chǎng)效應(yīng)管的漏極（D）和源極（S）之間短路。本文結(jié)合實(shí)際失效案例，從分析電源模塊工作原理入手，對(duì)電源模塊失效機(jī)理進(jìn)行分析和總結(jié)，并對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)和使用提出建議。

1" 失效案例介紹

某地運(yùn)行的現(xiàn)代有軌電車(chē)使用了4組超級(jí)電容箱作為動(dòng)力來(lái)源純電動(dòng)、無(wú)接觸網(wǎng)運(yùn)行，自2017年交付以來(lái)產(chǎn)品已正常運(yùn)行5年。在2023年度出現(xiàn)3次運(yùn)行故障，故障率升高。回調(diào)超級(jí)電容箱遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，3次故障均存在BMS均衡采集板上傳最低單體電壓0V的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了單體欠壓嚴(yán)重報(bào)警。經(jīng)查超級(jí)電容單體欠壓報(bào)警實(shí)際為BMS均衡采集板故障，表現(xiàn)為板卡電源指示燈熄滅，無(wú)法上電，單體電壓無(wú)法采集。板卡電路原理如圖1所示，其中DC-DC電源模塊輸入為24V，輸出5V電源，給板卡內(nèi)單片機(jī)、采樣電路和通信電路供電使用。

2" 失效分析

2.1" 電源模塊的啟封

DC-DC電源模塊為供應(yīng)商提供，首先對(duì)正常電源模塊進(jìn)行拆解分析，了解其工作原理，再對(duì)故障電源模塊進(jìn)行拆解分析。

如圖2所示，DC-DC電源模塊外殼采用金屬罩殼進(jìn)行屏蔽，內(nèi)部灌膠密封。啟封電源外部金屬外殼，對(duì)黑色灌封膠使用專(zhuān)用解膠劑浸泡24h后進(jìn)行清理。圖3為DC-DC電源模塊內(nèi)部PCB電路。DC-DC電源模塊正面PCB頂層主要器件為三極管、穩(wěn)壓二極管、電源芯片、電容和電阻。模塊反面PCB底層主要器件為電感、變壓器、功率開(kāi)關(guān)（MOS管）、穩(wěn)壓二極管（齊納二極管）、二極管、電容和電阻。

2.2" 電源模塊的工作原理

通過(guò)PCB頂層的電源芯片表面絲印，查出DC-DC電源模塊采用的是德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的UCC28C40D型號(hào)電源芯片作為電源設(shè)計(jì)的解決方案。該款電源芯片最高驅(qū)動(dòng)頻率1MHz，可直接驅(qū)動(dòng)大功率外部MOSFET，最小啟動(dòng)電壓7V，最小啟動(dòng)電流50μA，工作溫度-40～125℃。主要特點(diǎn)為：?jiǎn)?dòng)損耗小、運(yùn)行功耗小、轉(zhuǎn)換效率高，并具有快速電流感應(yīng)能力（35ns）和優(yōu)越的過(guò)載短路保護(hù)功能[4]。

為更好分析電源模塊的工作原理，按照電源模塊的輸入范圍、輸出電壓、功率的設(shè)計(jì)要求，采用TI電源設(shè)計(jì)軟件WEBENCH模擬正向設(shè)計(jì)電源模塊[5]。WEBENCH模擬設(shè)計(jì)的DC-DC電源電路圖如圖4所示。電源模塊主要由輸入濾波、功率轉(zhuǎn)換、變壓器、電源芯片、取樣比較、光耦和啟動(dòng)電源電路組成。工作原理為：輸入直流電壓，通過(guò)LC濾波電路，再經(jīng)過(guò)功率轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換為一種含有多種交流分量的方波電壓，該方波電壓經(jīng)過(guò)變壓器按原副匝數(shù)比轉(zhuǎn)換為次級(jí)方波電壓，該方波電壓再經(jīng)過(guò)整流濾波部分轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓。其中變壓器不僅起到電壓變換的作用，還起到隔離變換的作用，使前后級(jí)隔離，減少相互干擾。電源模塊的輸出電壓通過(guò)光耦隔離取樣并和參考電壓相比，得到的差值經(jīng)放大傳送到電源芯片。電源芯片通過(guò)調(diào)整PWM占空比從而調(diào)整MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷比例，直至調(diào)整電壓輸出5V穩(wěn)定。其工作原理簡(jiǎn)化方程如下：

Uo=Ui×Ton×F（1）

式中：Uo——輸出電壓;Ui——輸入電壓;Ton——功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間;F——電源芯片輸出的PWM頻率。

WEBENCH設(shè)計(jì)的電源啟動(dòng)電路為啟動(dòng)電阻Rstart1、Rstart2限流通過(guò)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓D2進(jìn)行供電啟動(dòng)。實(shí)物電源模塊的電源啟動(dòng)電路為三極管預(yù)充電容實(shí)現(xiàn)。兩者電源芯片正常工作后均通過(guò)變壓器的副邊變線圈直接供電，以降低功率損耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率。

圖5為實(shí)測(cè)的DC-DC電源模塊簡(jiǎn)化電路。啟動(dòng)電路中R1為三極管Q1的偏置電阻起限流作用，D2穩(wěn)壓二極管（絲印WF）保護(hù)三極管B極電壓不會(huì)超過(guò)10V，R2為預(yù)充限流電阻，C1為支撐電容，D1穩(wěn)壓二極管（絲印9V）保護(hù)電源芯片供電不超過(guò)9V。電源模塊上電啟動(dòng)原理為：當(dāng)輸入9～36V電壓時(shí)，三極管處于放大狀態(tài)，輸入電壓通過(guò)三極管、R2對(duì)電容C1預(yù)充電，當(dāng)C1電壓高于7V時(shí)，電源芯片啟動(dòng)工作，MOS開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，通過(guò)變壓器副邊線圈整流經(jīng)D1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓到9V為電源芯片供電，由于D2穩(wěn)壓二極管的存在，三極管Q1的B極電壓始終鉗位在10V，VBElt;0.7V三極管截止，啟動(dòng)完成。

圖6為示波器采集到的DC-DC電源模塊啟動(dòng)過(guò)程中的電壓波形，其中CH1通道為輸入的10.2V電源電壓，CH2通道為C1電容（電源芯片UCC28C40D供電電源）電壓變化曲線?？梢钥闯?，輸入電源打開(kāi)后，芯片電壓呈現(xiàn)為RC預(yù)充電路電壓曲線變化，當(dāng)達(dá)到7.4V時(shí)芯片開(kāi)始正常工作，通過(guò)隔離變壓器反輸出電壓供電，芯片供電電壓瞬間抬升到9.8V（D1穩(wěn)壓范圍9.4～10.6V）。

2.3" 電源模塊的失效原因

由章節(jié)2.2可知，電源模塊的正常輸出必須保證啟動(dòng)電路的工作正常。測(cè)量正常電源模塊啟動(dòng)電路的電壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，VC為三極管集電極電壓也是外部供電輸入電壓，VB是三極管基極電壓也是D2穩(wěn)壓二極管的電壓，VE是三極管的發(fā)射極電壓，VDD是芯片供電電壓也是D1穩(wěn)壓二極管的電壓。

對(duì)失效損壞的電源模塊進(jìn)行拆解，對(duì)模塊內(nèi)的主要器件上電前檢查。穩(wěn)壓二極管D1、D2正反方向電阻正常、管壓降正常。電源芯片VDD引腳與GND引腳無(wú)短路情況。電感及變壓器線圈處于導(dǎo)通正常狀態(tài)。MOS開(kāi)關(guān)管續(xù)流二極管壓降正常，MOS開(kāi)關(guān)管無(wú)擊穿現(xiàn)象。電阻阻值、電容容量在其表面絲印數(shù)據(jù)正常范圍內(nèi)。上電后測(cè)量啟動(dòng)電路電壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

對(duì)比表1、表2，結(jié)合電源芯片手冊(cè)，兩個(gè)失效的電源模塊的芯片供電電壓小于7V，芯片無(wú)法啟動(dòng)，電源模塊失效。為驗(yàn)證電源模塊的失效損壞只與啟動(dòng)電路有關(guān)，將輸入電壓調(diào)整到9V供電，快速短接VC與VDD斷開(kāi)后，二個(gè)損壞的電源模塊均啟動(dòng)，正常工作，輸出電壓5V穩(wěn)定，帶載供電板卡工作1h正常。為分析啟動(dòng)電路電壓異常原因，對(duì)啟動(dòng)電路的元器件逐個(gè)拆除測(cè)量電壓變化，如圖7所示，最終定位到穩(wěn)壓二極管D2異常。更換故障穩(wěn)壓二極管D2，將拆除的其他元器件依次焊接，故障修復(fù)，帶載供電板卡工作48h正常。

綜上所述，電源模塊的失效原因是其啟動(dòng)電路故障，啟動(dòng)電路的故障是由于穩(wěn)壓二極管D2的異常，造成了三極管Q1沒(méi)有按照設(shè)計(jì)功能進(jìn)行放大而提前截止，預(yù)充的電容電壓過(guò)低，電源芯片無(wú)法工作。

2.4" 穩(wěn)壓二極管的失效原因

由圖7可計(jì)算出VB為3.42V時(shí)穩(wěn)壓二極管的泄漏電流為：

ID===0.0648（mA）（2）

根據(jù)D2穩(wěn)壓二極管絲印“WF”，查找其型號(hào)為BZT52C2V4S，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表3，當(dāng)穩(wěn)壓二極管的電壓在3.42V時(shí)，低于最高反向工作電壓VR（7V），最大泄漏電流不應(yīng)超過(guò)IR（0.2μA），由此可知該穩(wěn)壓二極管（齊納二極管）存在異常泄漏電流，功能失效。

目前已經(jīng)排查到模塊內(nèi)部存在穩(wěn)壓二極管故障，再分析模塊外部原因。當(dāng)模塊外部遭受雷擊浪涌電壓2kV后，計(jì)算穩(wěn)壓二極管的瞬間通過(guò)電流為：

ID==19.9（mA）

此時(shí)穩(wěn)壓管的功率：

p=ID×VZ=19.9×10=199（mW）

由計(jì)算可知，當(dāng)浪涌電壓過(guò)大時(shí)，穩(wěn)壓二極管已處于最大功率臨界點(diǎn)，在使用過(guò)程中如果受到多次浪涌沖擊，會(huì)造成不可逆的影響。

3" 設(shè)計(jì)和使用的優(yōu)化

3.1" 電源模塊的優(yōu)化

電源模塊中損壞的穩(wěn)壓二極管功耗200mW，封裝SOD323。在不增加電源模塊的外形尺寸下，可以選擇封裝稍大、功率較大的穩(wěn)壓二極管，如安森美半導(dǎo)體的穩(wěn)壓二極管SZMMSZ5240BT1G，SOD123封裝，反向電流3μA@3V，穩(wěn)壓值9.5～10.5V，功率500mW，來(lái)提高電源模塊的浪涌電壓抗擾度。

3.2" 電源模塊的使用

在使用電源模塊時(shí)，為了進(jìn)一步穩(wěn)定輸入電源，在電源模塊輸入端應(yīng)該增加一電容Cin（100μF/50V）以增強(qiáng)其浪涌抗擾度[6]，減小外部電壓波動(dòng)對(duì)電源模塊內(nèi)部敏感元件的沖擊。

4" 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際失效案例，對(duì)DC-DC電源模塊進(jìn)行故障失效分析，詳細(xì)介紹了電源模塊的啟動(dòng)電路和工作原理。通過(guò)快速短接法、拆解替換法定位到具體故障電子元件，最終發(fā)現(xiàn)了故障電子元件穩(wěn)壓二極管的反向漏電流參數(shù)發(fā)生了變化，導(dǎo)致了電路異常。最后針對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)和使用提出了優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李華霖，李鑒濤. 某型裝備延壽試驗(yàn)電源模塊失效分析[J]. 航空維修與工程，2018（8）：48-51.

[2] 王堅(jiān)，雷云，陳超. 一種DC/DC模塊電源失效原因分析及解決方法[J]. 電訊技術(shù)，2008（7）：66-68.

[3] 侯雪川，周霞，艾多文. DC/DC電源模塊失效案例分析[J]. 質(zhì)量與可靠性，2011（6）：43-46.

[4] Texas Instruments. UCCx8C4x BiCMOS Low-Power Current-Mode PWM Controller datasheet[Z]. 2007.

[5] 廣州致遠(yuǎn)電子有限公司. C135930_電源模塊_E2405 UHBD-8W_規(guī)格書(shū)_ZLG電源模塊規(guī)格書(shū)[Z].

[6] 廣州金升陽(yáng)科技有限公司. DC/DC 模塊電源URA_ZP-6WR3amp;URB_ZP-6WR3系列規(guī)格書(shū)[Z].