中心議題：
- 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關(guān)系
- 元件溫度性能對(duì)模塊溫度特性的影響
摘要：
為了得到一款軍品級(jí)模塊因?yàn)閷?dǎo)致高溫失效的原因，通過(guò)對(duì)模塊內(nèi)部元件加熱測(cè)試，觀測(cè)模塊電學(xué)參數(shù)的變化，并與模塊整體加熱電學(xué)參數(shù)變化的結(jié)果做比較。得到影響模塊輸出電學(xué)參數(shù)變化的最主要的元件，同時(shí)對(duì)該元件特性分析，獲得元件隨溫度變化失效的原理。測(cè)得其輸出電壓隨環(huán)境溫度的上升，而緩慢下降的主要原因來(lái)自于光耦的溫度特性。環(huán)境溫度達(dá)到150℃左右時(shí)，模塊內(nèi)變壓器磁芯溫度將達(dá)到居里點(diǎn)附近，使模塊輸出電壓幾乎為零。
引言
DC⁄DC 電源模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)模塊），是一種運(yùn)用功率半導(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。它廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，并在遠(yuǎn)程和數(shù)字通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，所工作的環(huán)境也越來(lái)越惡劣，統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升為50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1⁄6。本文所研究的電源模塊是中電集團(tuán)第四十三所研制的廣泛用于軍工的一款高性能DC⁄DC 電源模塊。與Interpoint 的MHF2815S+ 相比，具有輸出效率高，產(chǎn)生熱量少，抗浪涌能力高等優(yōu)點(diǎn)。
在DC⁄DC 電源模塊電源結(jié)構(gòu)中主要的元器件有： 脈寬調(diào)制器（控制轉(zhuǎn)換效率）、光電耦合器（輸入與輸出隔離，避免前后級(jí)干擾，并傳遞取樣信息給PWM, 保持輸出電壓的穩(wěn)定）、VDMOS（功率轉(zhuǎn)換部件，利用其良好的開(kāi)關(guān)特性提高轉(zhuǎn)換效率）和肖特基二極管（整流以及濾波，是功率輸出的主要部件）。
1 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關(guān)系
為了摸清電源模塊電學(xué)參數(shù)隨溫度變化的情況，首先對(duì)電源模塊整體進(jìn)行加熱，測(cè)試其輸入電流、輸出電流、輸出電壓（Vout）電學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)條件：保持輸入電壓28 V，輸出負(fù)載15Ω ，輸出電流1 A；測(cè)試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現(xiàn)模塊的輸出電壓有較明顯的下降，輸入電流，輸出電流的變化趨勢(shì)不是很明顯，其變化趨勢(shì)是伴隨著溫度的升高，電源模塊的電壓逐漸減小，而且趨勢(shì)非常明顯，從圖1 中可見(jiàn)，加熱溫度在50℃ ，V out 為14.98 V；溫度為142℃ 時(shí)，Vout 降為14.90 V。此外，因?yàn)槟K的效率是其性能的重要指標(biāo)，當(dāng)效率下降到一定數(shù)值，模塊也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生熱量過(guò)多而失效。為此計(jì)算了該試驗(yàn)條件下模塊效率隨溫度的變化，從圖2 可見(jiàn)模塊的效率，隨著溫度的升高，變化趨勢(shì)更加明顯，開(kāi)始較為緩慢，隨著溫度的升高而逐漸加快，呈現(xiàn)玻爾茲曼指數(shù)分布。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升到150℃，模塊輸出電壓為零。
圖1 電源模塊Vout 與溫度T 的關(guān)系
圖2 電源模塊效率η 與溫度T 的關(guān)系[page]
為了尋找導(dǎo)致電源模塊的輸出電壓隨溫度升高而明顯下降的主要元器件，根據(jù)模塊的電路，選擇相應(yīng)的元件搭建電路， 該電路經(jīng)過(guò)測(cè)試可以完成模塊的所有功能，同時(shí)因?yàn)榉羌苫?，可以?duì)其元件單獨(dú)測(cè)試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測(cè)試的條件。下面對(duì)電源模塊中的重要的元件單獨(dú)加熱，測(cè)試其電參數(shù)隨溫度的變化，同時(shí)測(cè)試電路V ou t 的變化。
2 元件溫度性能對(duì)模塊溫度特性的影響
2.1 變壓器
變壓器在中不僅能傳遞能量，同時(shí)還起到了電氣隔離的作用，變壓器的原邊與副邊線(xiàn)圈匝數(shù)比的不同可以達(dá)到升壓或降壓的作用。在模塊工作狀態(tài)下，由于磁芯的渦流效應(yīng)，變壓器會(huì)產(chǎn)生很多的熱量，成為模塊熱量產(chǎn)生的主要來(lái)源。實(shí)驗(yàn)中首先測(cè)試了變壓器原邊和副邊線(xiàn)圈的電感量隨溫度的變化，如圖3 所示，從圖3 中可見(jiàn)隨著溫度的升高，線(xiàn)圈的電感量先增加，然后小幅下降，再小幅上升，在環(huán)境溫度為220℃ 以前，變壓器的原邊與副本電感量的整體趨勢(shì)是逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到220℃，磁芯溫度達(dá)到居里點(diǎn)，線(xiàn)圈的電感量迅速降為零。對(duì)于不同磁芯材料的變壓器其居里點(diǎn)溫度有所不同，對(duì)于此類(lèi)變壓器，可知居里溫度在220℃附近。當(dāng)變壓器溫度接近居里點(diǎn)時(shí)，變壓器電感量會(huì)迅速減小，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓迅速下降。
實(shí)驗(yàn)中還測(cè)試了電路中的輸入輸出的其他電感元件的電感量隨溫度的變化。在整個(gè)加熱階段，其他元件的電感量隨溫度變化很小，與變壓器電感量變化相比可以忽略。而且在變壓器電感量下降的階段，其他電感元件的電感量變化仍然較小。
為了校正環(huán)境溫度與模塊因自生熱升高的溫度，選擇一模塊，將模塊外殼穿孔，并將感溫線(xiàn)放到變壓器的圓孔內(nèi)部，測(cè)試變壓器的溫度，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，得到變壓器溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)：y=1.18x +13?？梢?jiàn)變壓器的溫度遠(yuǎn)高于電源模塊的工作溫度。
當(dāng)環(huán)境溫度為150℃，感溫線(xiàn)測(cè)試的結(jié)果約190℃，由于感溫線(xiàn)測(cè)試點(diǎn)是變壓器圓孔內(nèi)部的空氣，不是變壓器的磁芯溫度，因此感溫線(xiàn)的測(cè)量結(jié)果比實(shí)際的變壓器的溫度要低很多，由此可以判斷變壓器的磁芯溫度將接近居里點(diǎn)，因此當(dāng)模塊的環(huán)境溫度超過(guò)150℃時(shí)，模塊中變壓器的溫度將達(dá)到變壓器磁芯的居里點(diǎn)溫度，此時(shí)模塊的輸出電壓幾乎為零。
圖3 變壓器電感量L 與溫度T 的關(guān)系
2.2 脈寬調(diào)制解調(diào)器（PWM）
PWM 的主要功能是根據(jù)輸出反饋，調(diào)節(jié)脈沖波形的占空比，并驅(qū)動(dòng)功率器件，從而得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。
在該型號(hào)電源模塊中，PWMSG3524 的功能是提供兩路方波信號(hào)給三極管和VDMOS，并根據(jù)方波信號(hào)的寬度控制VDMOS 的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。在此試驗(yàn)中，對(duì)電路工作狀態(tài)的PWMSG3524 單獨(dú)加溫，并測(cè)試輸出方波信號(hào)與溫度的關(guān)系， 測(cè)得波形沒(méi)有明顯變化；在加溫的同時(shí)對(duì)模塊的輸入、輸出電流電壓進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)隨著PWM 所在環(huán)境溫度的升高輸入電流與輸入電壓變化都很??；輸出電壓與輸出電流變化也很小，加熱PWM 導(dǎo)致電參數(shù)變化與模塊整體加熱電參數(shù)相比可以忽略。證明PWMSG3524 對(duì)模塊的溫度特性影響較小。
2.3 VDMOS
VDMOS（垂直雙擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管）在模塊電路中作為開(kāi)關(guān)器件，在感性負(fù)載下工作，承受高尖峰電壓和大電流，具有較高的開(kāi)關(guān)損耗和溫升，其開(kāi)關(guān)頻率可高達(dá)130 kHz, 在這樣高的頻率下工作，可能引起內(nèi)部多種退化機(jī)制， 導(dǎo)致VDMOS 的性能下降，甚至失效。
在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)模塊中的VDMOS 單獨(dú)加溫，測(cè)試模塊電學(xué)參數(shù)的變化，通過(guò)測(cè)試得到當(dāng)溫度到180℃時(shí)，輸入電流隨溫度的升高有較為明顯的增加。而輸出電壓、輸出電流隨溫度的升高變化較小。此外計(jì)算模塊的輸出效率，判斷模塊是否處在正常工作狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算可到對(duì)VDMOS 單獨(dú)加熱到180℃ 時(shí)，模塊的輸入電流迅速增加。而當(dāng)溫度升至220℃，輸出電壓幾乎沒(méi)有變化，由于模塊在150℃已經(jīng)失效，而此時(shí)單獨(dú)加熱溫度已經(jīng)高達(dá)180℃，遠(yuǎn)高于模塊整體加熱失效的溫度， 因此VDMOS 的溫度特性不是影響輸出電壓變化的原因。
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2.4 二極管（ SBD）
在模塊中使用的二極管有穩(wěn)壓二極管，整流二極管，其中整流二極管在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中扮演了重要的角色。在變壓器的輸出端， 兩個(gè)整流二極管在不同時(shí)段導(dǎo)通，使交流脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動(dòng)。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)電路中的SBD 單獨(dú)加熱，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，模塊的輸出電壓沒(méi)有較明顯的變化。因此模塊在高溫工作的環(huán)境下，SBD 不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素。
2.5 光電耦合器
光電耦合器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)光耦）以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入，輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦一般由3 部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（ LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，它被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由于光耦輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。
在模塊中，光耦作為隔離輸入、輸出的重要部件，同時(shí)將輸出端比較放大器輸出的電流信號(hào)傳輸?shù)絇WM的9 腳，而9 腳是PWM 的補(bǔ)償端，它與比較器的反向輸入端相連，控制PWM 的11 腳和14 腳輸出脈沖的寬度。從而調(diào)整模塊的輸出電壓保持穩(wěn)定。
在本實(shí)驗(yàn)中，首先測(cè)試模塊中使用的光耦NEC2705 的輸入端電流與輸出端電流的比例系數(shù)隨溫度的變化，輸入端所加電流為11 mA，結(jié)果表明在25 時(shí)，該光耦的電流傳輸比接近1：1， 但是隨著溫度的升高，輸入電流不變，輸出端的電流逐漸減小，大約每升高10，光耦的電流傳輸比減小4%，結(jié)果如圖4 所示。
圖4 光耦電流傳輸比與溫度T 的關(guān)系
然后對(duì)工作狀態(tài)中模塊的光耦單獨(dú)加熱（模塊光耦較大，可取下焊線(xiàn)后單獨(dú)加熱），測(cè)量模塊的輸出電壓，見(jiàn)圖5。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，模塊電壓逐漸下降，且與模塊整體加熱時(shí)測(cè)得的輸出電壓隨溫度上升而下降趨勢(shì)基本符合。通過(guò)分析可知，隨著環(huán)境溫度的升高，電源模塊各元件的功耗增加，將導(dǎo)致模塊的輸出電壓的下降，此時(shí)應(yīng)當(dāng)通過(guò)光耦連接的反饋電路，使得PWM輸出的脈寬增加，提高輸出端的電壓，但是由于光電耦合器的傳輸效率下降，不能完全將負(fù)反饋的結(jié)果傳輸給PWM。使得PWM 輸出脈寬比實(shí)際較窄， 即電壓調(diào)整能力降低，使輸出電壓隨環(huán)境溫度上升而下降。
圖5 輸出電壓與光耦溫度T 的關(guān)系
3 結(jié) 語(yǔ)
綜上所述，模塊溫度特性表現(xiàn)為：在溫度小于150 的時(shí)候，模塊的輸出電壓緩慢下降，原因是由于光耦電流傳輸比的下降引起；當(dāng)溫度大于150 時(shí)，電源模塊輸出電壓迅速下降，甚至輸出電壓幾乎為零，其原因是此時(shí)模塊中變壓器的磁芯溫度接近居里點(diǎn)溫度（220）。變壓器作用失效所引起。在此情況中，如果模塊內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生其他的損傷，當(dāng)停止加熱，模塊溫度恢復(fù)到室溫，模塊重新加電，模塊輸出電壓仍能恢復(fù)到正常值。然而，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的模塊，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)150 左右時(shí)，由于模塊變壓器的磁芯溫度達(dá)到距離點(diǎn)，使磁芯溫度升高，該正反饋會(huì)使磁芯溫度迅速升高，產(chǎn)生的熱量也更多，造成模塊內(nèi)部其它器件的損壞，很容易造成模塊的永久損毀。
