高會(huì)壯 徐 昕 王長(zhǎng)鑫 武榮榮 胡迎茜

（1.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854）（2.工信部電子科技委 北京 100036）（3.中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院 北京 100854）

1 引言

直流變換（DC-DC）電源模塊是電子系統(tǒng)的電源供應(yīng)器，有升壓和降壓兩種，可以為專(zhuān)用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、微處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）及其他數(shù)字或模擬負(fù)載供電。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，以DC-DC 轉(zhuǎn)換器為主體的開(kāi)關(guān)電源以轉(zhuǎn)換率高、重量輕、體積小等優(yōu)勢(shì)逐步取代了傳統(tǒng)的線性電源，是電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其可靠性將直接決定電源系統(tǒng)的可靠應(yīng)用［1～2］。

在設(shè)備實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，會(huì)遇到溫度應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力等多種環(huán)境應(yīng)力影響，電源模塊裝機(jī)應(yīng)用前開(kāi)展的測(cè)試篩選試驗(yàn)不足以解決使用中的退化問(wèn)題［3］，對(duì)于一些較為極端的應(yīng)用環(huán)境更是如此。環(huán)境應(yīng)力對(duì)DC-DC 電源模塊正常工作帶來(lái)威脅，導(dǎo)致其性能隨工作時(shí)間增加逐步退化，比如在振動(dòng)應(yīng)力的作用下，基板受力不均，MOS管、二極管等表貼器件會(huì)產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致故障［4～5］；還有電應(yīng)力可能造成器件瞬間擊穿等失效情況，對(duì)于鋁電解電容，外部溫度上升會(huì)導(dǎo)致電容量減小、等效串聯(lián)電阻ESR 增大，導(dǎo)致濾波性能減弱，對(duì)DC-DC 電源模塊輸出電壓紋波的影響很大［6］。此外，光耦、PWM 芯片、儲(chǔ)能電感和表面貼膜電阻等也易引起失效［7］。這些故障情況對(duì)設(shè)備的正常工作狀態(tài)影響非常大，所以開(kāi)展針對(duì)電源模塊的故障研究具有重要意義。

2 電源模塊的瞬態(tài)響應(yīng)特征

當(dāng)在電源模塊輸入和輸出施加電應(yīng)力信號(hào)（電壓脈沖或電流脈沖）時(shí)，電源模塊的輸出波形將產(chǎn)生特定變化。當(dāng)工作條件和環(huán)境發(fā)生改變，模塊中的反饋回路可以提供一個(gè)修正量，使模塊保持輸出電壓穩(wěn)定［8］。當(dāng)輸入級(jí)電壓發(fā)生階躍變化時(shí)，調(diào)整輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵器件包括反饋回路與輸出端電感、電容。圖1 分別為輸入電壓和輸出端電流發(fā)生突變時(shí)的系統(tǒng)框圖。

圖1 電源模塊瞬態(tài)響應(yīng)分析框圖

圖1（a）輸出電壓為

其中T(s)為環(huán)路傳遞函數(shù)，Zin為輸入阻抗。

圖1（b）輸出電壓為

則輸出電壓變化量為

其中T(s)為系統(tǒng)傳遞函數(shù)，Zout為輸入阻抗。

典型DC-DC電路傳遞函數(shù)如下：

其中Gvd(s)為控制-輸出傳遞函數(shù)，里面包含輸出級(jí)電感與電容等參數(shù)；GM(s)為PWM 傳遞函數(shù)，是輸出電壓幅值；CTR 是光耦電流傳輸比；K 為誤差放大電路傳遞函數(shù)，為無(wú)量綱常數(shù)。各參量具體表示如下：

其中Vm為PWM 鋸齒波的電壓幅值，L，C，R 為輸入、輸出級(jí)電感、電容、電阻。

為分析各器件與輸出的關(guān)系，簡(jiǎn)化電路，去掉輸入級(jí)電感和電容，可得：

其中Vin為電源輸入端電壓。輸出阻抗Z(s)為

其中L，C，R為輸出級(jí)電感、電容、電阻。

帶入后得到：

根據(jù)拉氏變換，可以得到CTR∝，由于周期T==N，所以CTR∝N2。

由此，可以看出輸入級(jí)電壓突變對(duì)輸出電壓產(chǎn)生的影響與輸入輸出級(jí)電阻、電容、電感有關(guān)，同時(shí)與反饋電路中的光電耦合器CTR 有關(guān)。輸出級(jí)電流突變對(duì)輸出電壓的影響主要與輸出級(jí)電阻、電感、電容以及反饋回路的光電耦合器CTR有關(guān)。

3 典型電源模塊仿真電路搭建

DC-DC 電源模塊電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含輸入濾波電路，功率開(kāi)關(guān)管，脈寬調(diào)制器（PWM），變壓器，反饋回路中的光耦，輸出端的整流濾波電路，續(xù)流二極管與穩(wěn)壓二極管。PWM 信號(hào)發(fā)生器基本電路為方波發(fā)生電路與RC 積分器和反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)比較器產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)，如圖2 所示。PWM輸入與輸出信號(hào)波形時(shí)序圖如圖3。

圖2 PWM信號(hào)發(fā)生電路

圖3 PWM發(fā)生器輸入和輸出信號(hào)時(shí)序圖

本文研究對(duì)象為降壓型DC-DC 電源模塊，根據(jù)開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)［12］，設(shè)計(jì)一個(gè)具有光耦反饋的DC-DC 電路，利用一個(gè)方波發(fā)生器和RC 積分器與輸出端的反饋信號(hào)，通過(guò)一個(gè)比較器產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)，控制MOS 管通斷，實(shí)現(xiàn)電壓的改變。輸出級(jí)利用一個(gè)分壓電阻取得信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大器和光耦傳回到PWM電路進(jìn)行綜合［10］。搭建的仿真電路參數(shù)具體為輸入電源與電壓基準(zhǔn)為30V，脈沖電源的脈沖寬度和周期均為50μs，輸出電壓波形在9ms處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定為5.86V。

4 測(cè)試信號(hào)分析

4.1 測(cè)試信號(hào)類(lèi)型

4.1.1 輸入端脈沖電壓測(cè)試信號(hào)

測(cè)試條件包括測(cè)試輸入信號(hào)的具體特征以及施加方式。首先采用簡(jiǎn)單的Buck 電路［9］進(jìn)行仿真確定測(cè)試信號(hào)特征，電路參數(shù)設(shè)置描述為正常工作時(shí)，啟動(dòng)后在4ms 時(shí)輸出電壓達(dá)到平穩(wěn)；輸入電源采用電壓信號(hào)源，初始電壓100V，在6ms 位置以0.5ns 上升到120V，維持5ms 隨后以50ns 下降到100V；電路的占空比為0.5。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 電壓脈沖測(cè)試輸出波形

從波形可得出，對(duì)于占空比恒定的無(wú)反饋DC-DC 電路，整個(gè)系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，在輸入電壓改變后，輸出會(huì)出現(xiàn)阻尼振動(dòng)特性波形。說(shuō)明輸入測(cè)試信號(hào)需要在保持DC-DC 電源模塊正常工作狀態(tài)下，疊加一個(gè)脈沖信號(hào)，查看輸出波形在脈沖加入狀態(tài)下的調(diào)節(jié)過(guò)程。

4.1.2 輸出端脈沖電流測(cè)試信號(hào)

設(shè)計(jì)脈沖電流發(fā)生電路，在電源模塊輸出端施加一個(gè)電流脈沖，引起輸出電壓產(chǎn)生阻尼振動(dòng)特性波形。仿真電路波形如圖5 所示，電路參數(shù)設(shè)置描述如下：在正常輸出狀態(tài)下，4ms 時(shí)輸出電壓達(dá)到平穩(wěn)。測(cè)試信號(hào)利用脈沖電流源，在電路啟動(dòng)后6ms 給1μs 上升到4A 的電流，維持6ms 隨后以1μs下降到0A。

圖5 電流脈沖測(cè)試輸出波形

從波形可以看出，在輸出端施加一個(gè)電流脈沖，將使輸出電壓產(chǎn)生變化，在電感L 和電容C 的作用下產(chǎn)生阻尼振動(dòng)，最后穩(wěn)定在原來(lái)的輸出電壓值。設(shè)計(jì)脈沖電流輸出電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)DC-DC 電路脈沖電流測(cè)試信號(hào)注入。

4.1.3 輸入直流測(cè)試信號(hào)

MOS管的故障狀態(tài)一般包括短路、開(kāi)路與漏源電阻增大。通過(guò)直流狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)可以得到MOS管的工作狀態(tài)。

4.2 測(cè)試信號(hào)參數(shù)分析

4.2.1 輸入端脈沖電壓測(cè)試信號(hào)

1）降壓型DC-DC電路

利用典型Buck 電路對(duì)測(cè)試信號(hào)具體參數(shù)進(jìn)行分析。輸入電壓從50V～150V，每隔10V 取一個(gè)值，在DC-DC 電路輸出平穩(wěn)后的6ms 時(shí)加入電壓脈沖信號(hào)，輸出波形具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 輸入電壓脈沖下輸出波形信息

其中：dV=|V2?V3|，dt=|t幅值?6|，dτ=|t平穩(wěn)?6|。

當(dāng)輸入信號(hào)電壓從100V 變?yōu)?20V，上升時(shí)間分別從10ns 到100ns 間隔10ns 變化，與從100ns 到2μs 間隔100ns 變化，開(kāi)展仿真分析。結(jié)果表明當(dāng)脈沖上升時(shí)間相差不大時(shí)，整體波形狀態(tài)及輸出變化較小。

2）升壓型DC-DC電路

選擇簡(jiǎn)單的boost電路進(jìn)行分析。電路的占空比D=50%，所以輸出電壓為輸入電壓的兩倍。通過(guò)設(shè)置電壓脈沖在5ms時(shí)變化，幅值為30V到40V間隔2V，上升時(shí)間與下降時(shí)間為50ns，脈沖寬度為50μs。

輸入脈沖電壓從60V～70V，每隔2V 變化，波形如圖6，當(dāng)測(cè)試脈沖電壓為負(fù)時(shí)如圖7。在電壓脈沖的作用下，輸出波形出現(xiàn)一個(gè)小脈沖，不同輸入脈沖電壓對(duì)幅度有影響。

圖6 電壓脈沖為正輸出波形

圖7 電壓脈沖為負(fù)輸出波形

對(duì)比分析兩種常見(jiàn)的DC-DC 電路，測(cè)試電壓脈沖信號(hào)在DC-DC 電路工作穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行疊加輸入。根據(jù)不同電源模塊的輸入與輸出區(qū)別，利用可調(diào)脈沖源進(jìn)行信號(hào)注入，選擇合適的輸出電壓脈沖幅值與脈沖寬度進(jìn)行分析。針對(duì)一般DC-DC電源模塊選擇能產(chǎn)生5V 脈沖源即可滿足要求，脈沖上升時(shí)間為μs 級(jí)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度μs 級(jí)可調(diào)。輸出波形方面，對(duì)于降壓電路，輸出產(chǎn)生振蕩波形，可觀測(cè)特征為振蕩次數(shù)和振蕩幅度以及振蕩時(shí)間；對(duì)于升壓電路，輸出產(chǎn)生突變波形，為單一方向，可觀測(cè)特征為幅值和調(diào)整時(shí)間。

4.2.2 輸出端電流測(cè)試信號(hào)

1）降壓型DC-DC電路

利用PSpice 中電流信號(hào)源為電路施加信號(hào)激勵(lì)，輸入電壓為100V，占空比D=50%，電流脈沖為脈沖寬度50μs，幅度1A～5A，間隔1A。根據(jù)輸出波形，知5V 電流可以滿足測(cè)試要求，并且電流越大，振蕩幅度越大，振蕩次數(shù)不變。當(dāng)脈沖電流幅值一定，脈沖寬度變化時(shí)波形結(jié)果如圖8。

圖8 脈沖電流幅值一定脈沖寬度變化時(shí)輸出波形

通過(guò)波形判斷，500μs 以上波形都在第一個(gè)上升波形處發(fā)生彎折，這對(duì)于實(shí)際電路可能會(huì)發(fā)生干擾，對(duì)輸出結(jié)果檢測(cè)產(chǎn)生影響。為了輸出信號(hào)明顯，且將幅度控制在一定范圍內(nèi)，選擇300μs 的波形比較合適。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，需要考慮采用LC 濾波電路以降低輸出紋波。對(duì)于簡(jiǎn)單電路輸入電流0A～5A，脈沖寬度控制在500μs 以內(nèi)可滿足測(cè)試要求。

2）升壓型DC-DC電路

與降壓型電路類(lèi)似，設(shè)計(jì)仿真電路為輸入電壓40V，占空比D=50%，電流脈沖為脈沖寬度50μs，幅度1A～5A，間隔1A，幅值改變量與輸出脈沖幅值關(guān)系如圖9所示。

圖9 Boost電路輸出端電流脈沖測(cè)試數(shù)據(jù)條形圖

分析仿真結(jié)果，在電流為1A～2A 即可滿足測(cè)試需求，如電壓幅值變化過(guò)大，將干擾輸入與輸出波形對(duì)比分析，同時(shí)可能對(duì)器件造成損傷。設(shè)置脈沖幅值1A 固定，脈沖寬度為掃描參數(shù)，從100μs～500μs每隔100μs進(jìn)行仿真，波形整體差距不大，對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間影響結(jié)果較小，故脈沖寬度可以取值500μs 以內(nèi)。脈沖電流測(cè)試信號(hào)可以在輸出波形上產(chǎn)生類(lèi)似輸入電壓脈沖信號(hào)的擾動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)波形特征，可以判斷對(duì)應(yīng)器件的退化狀態(tài)。

4.2.3 輸入直流測(cè)試信號(hào)

對(duì)于MOS 管直流信號(hào)測(cè)試條件，只需施加DC-DC 電源模塊正常工作電壓，檢測(cè)關(guān)于MOS 管流過(guò)的電流或者兩端電壓即可得到所需特征參數(shù)。

5 電路仿真與故障識(shí)別

5.1 測(cè)試信號(hào)響應(yīng)分析

不同DC-DC 電源內(nèi)部的輸出電感、輸出電容、MOS管、整流續(xù)流二極管和光耦這幾個(gè)主要部件功能類(lèi)似，可利用本文前面章節(jié)建立的仿真電路來(lái)分析得到通用的數(shù)據(jù)關(guān)系。根據(jù)電源模塊薄弱環(huán)節(jié)的相關(guān)研究成果，關(guān)鍵器件確定為MOS 管、輸出電感、輸出電容、二極管和光電耦合器［11］。

5.1.1 輸入端脈沖電壓測(cè)試

設(shè)置仿真電路參數(shù)為向下脈沖8V，脈沖寬度500μs。可得到如圖10輸出結(jié)果。

圖10 輸入端電壓脈沖測(cè)試輸出波形

圖11 續(xù)流二極管短路輸出波形

設(shè)置掃描參數(shù)為輸出電感的L 值，正常值為10mH，幅值為0.27V，振蕩個(gè)數(shù)N為1。在正常值基礎(chǔ)上分為四個(gè)模式，針對(duì)該電路設(shè)定正常輸出電壓為VOUT±0.01V，本文仿真電路輸出值為5.87V。仿真結(jié)果表示：當(dāng)L 降為1mH 時(shí)，輸出紋波已經(jīng)超出0.1V，且輸出電壓無(wú)法保持正常穩(wěn)定輸出。當(dāng)電感斷路，則輸出為0；短路，則紋波更大。綜上，輸出電感對(duì)電路的影響主要體現(xiàn)在輸出紋波大小，從檢測(cè)輸出紋波情況可考察輸出電感的工作狀態(tài)。

光耦的CTR（電流傳輸比），仿真電路中光耦CTR 默認(rèn)為1。隨著時(shí)間的推移，光耦將出現(xiàn)退化導(dǎo)致CTR 值減小，設(shè)置CTR 從0.10 到1.00 進(jìn)行變化，得到如表2 所示仿真結(jié)果。表明隨著CTR 變小，輸出電壓減小，振蕩次數(shù)減小，當(dāng)CTR=0.2 時(shí)，電壓減小約0.9V。

表2 電壓脈沖條件下CTR變化對(duì)輸出波形的影響

對(duì)于輸出端續(xù)流二極管短路輸出波形如圖。如果續(xù)流二極管斷路，則沒(méi)有輸出。

圖12 顯示穩(wěn)壓二極管短路時(shí)輸出波形，斷路時(shí)結(jié)果如圖13。

圖12 穩(wěn)壓二極管短路

圖13 穩(wěn)壓二極管斷路

對(duì)比后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓管短路后，輸出波形一直在0V波動(dòng)，而續(xù)流管短路則比較平穩(wěn)。

綜合以上分析，得到結(jié)論：輸入端電壓脈沖可測(cè)試輸出端電容值變化；測(cè)試紋波電壓可以對(duì)輸出端電感值進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)輸出電壓波形紋波電壓可表征MOS管狀態(tài)。

5.1.2 輸出端脈沖電流測(cè)試

設(shè)置仿真電路中輸出端脈沖電流參數(shù)為向下脈沖500mA，初始電流為0，脈沖寬度100μs。設(shè)置掃描參數(shù)為輸出電感的L 值，正常值為10mH，得到輸出波形幅值為1.904V，振蕩個(gè)數(shù)為2。結(jié)果表明輸出端施加電流脈沖情況下，輸出電感L 值對(duì)輸出振蕩信號(hào)個(gè)數(shù)無(wú)影響。如果輸出電感斷路則輸出為0，在輸出端產(chǎn)生峰值為3.081V的向上尖峰。

對(duì)于光電耦合器，將CTR設(shè)置為從默認(rèn)值逐漸減小時(shí)，輸出波形的阻尼振動(dòng)個(gè)數(shù)逐漸減少。續(xù)流二極管和齊納二極管故障都會(huì)導(dǎo)致輸出電壓為0V，并在脈沖電流輸入端產(chǎn)生振蕩或尖峰。

根據(jù)仿真結(jié)果，輸出端施加電流脈沖可以準(zhǔn)確反映光電耦合器CTR的值，并且還可以測(cè)試二極管的狀態(tài)。輸出波形的阻尼振動(dòng)主要反映反饋回路和輸出濾波電路的性能，所以輸出端電流脈沖也可用于電感和電容的狀態(tài)測(cè)試。

5.1.3 輸入端直流測(cè)試

直流電源可以直接檢測(cè)DC-DC 電源模塊輸出是否符合標(biāo)準(zhǔn)。MOS管的導(dǎo)通電阻增加，會(huì)造成輸出電壓降低。MOS 管斷路則輸出為0，導(dǎo)通電阻增大會(huì)導(dǎo)致輸出電壓減小。

5.2 基于波形分析的故障診斷

通過(guò)前面定量分析確定在測(cè)試中使用的測(cè)試信號(hào)和檢測(cè)的輸出數(shù)據(jù)，現(xiàn)進(jìn)行定量分析。主要測(cè)試信號(hào)為輸出端電流脈沖信號(hào)與直流電壓信號(hào)。對(duì)于簡(jiǎn)單的DC-DC 變換電路可采用曲線擬合方法來(lái)研究退化器件參數(shù)與輸出波形的關(guān)系。由于電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通路之間的數(shù)學(xué)關(guān)系比較明確，可以直接擬合出相關(guān)性高的曲線和數(shù)學(xué)模型。

5.2.1 光耦

一般規(guī)定半導(dǎo)體光電耦合器的CTR 不得低于額定值的20%。設(shè)置仿真電路的光耦CTR 額定值為1.5，結(jié)果表明當(dāng)CTR 為0 時(shí)，輸出電壓降為4.44V，N 為1。隨著CTR 的減小，振蕩次數(shù)減小，與瞬態(tài)分析得到的CTR ∝N2結(jié)果趨勢(shì)一致。當(dāng)振蕩次數(shù)為3 以下時(shí)，表明該電路的光耦CTR 已經(jīng)低于0.8，小于額定值的20%，電路已經(jīng)處于失效狀態(tài)。

5.2.2 MOS管

設(shè)置MOS 管分別處于三種故障模式：Rd（on）增大、擊穿開(kāi)路以及短路。仿真電路采用IRF150型NMOS管，模型中給定的Rd為1.031mΩ，隨著Rd的增大，將造成電路最終失效。設(shè)置Rd 從0.001Ω～3Ω變化，利用直流電壓測(cè)試方法，結(jié)果表明輸出電壓從4.94V 減小到0.03V。擬合得到VOUT=4.5683e-2.029Rd，R2=0.9944，發(fā)現(xiàn)隨著Rd 的減小，輸出電壓VOUT成指數(shù)減小。若MOS管為斷路或短路，則電路無(wú)輸出。

5.2.3 二極管

仿真結(jié)果表明續(xù)流二極管開(kāi)路或短路后電路輸出電壓為0V，當(dāng)注入電流脈沖時(shí)，二極管短路造成輸出產(chǎn)生阻尼振動(dòng)，在開(kāi)路狀態(tài)下產(chǎn)生脈沖尖峰。針對(duì)穩(wěn)壓二極管，當(dāng)注入電流脈沖時(shí)，短路狀態(tài)下輸出會(huì)出現(xiàn)阻尼振動(dòng)，與短路狀態(tài)下的續(xù)流二極管波形不同，在電路初始階段無(wú)輸出。在開(kāi)路狀態(tài)下，結(jié)果顯示輸出略大于0V，并伴隨脈沖尖峰。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)DC-DC 電源模塊故障模式開(kāi)展了分析，建立了DC-DC 電源模塊瞬態(tài)響應(yīng)傳遞函數(shù)的方框圖，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，得出特定脈沖測(cè)試信號(hào)對(duì)輸出電壓的影響情況?；谒矐B(tài)響應(yīng)分析，利用PSpice 搭建仿真電路，并完成特征信號(hào)參數(shù)研究。同時(shí)搭建了DC-DC 電源模塊仿真電路，設(shè)置具體測(cè)試信號(hào)，檢測(cè)并分析輸出波形，實(shí)現(xiàn)了在模塊內(nèi)部不同組成元器件故障狀態(tài)下的具體故障識(shí)別。