基于噪聲測量技術(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)學院機電工程學院，湖南紹興312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院，湖南紹興312000）

基于噪聲測量技術(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)學院機電工程學院，湖南紹興312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院，湖南紹興312000）

針對開關(guān)電源的功率器件MOS管工作在高功率大電流下易損壞，導致開關(guān)電源故障率高的問題，提出了一種利用噪聲測量技術(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)計了超低噪聲前置低頻放大器，對伊萊科S-15-12型開關(guān)電源測試，結(jié)果表明，該方法能夠測量到開關(guān)電源的低頻噪聲并準確判斷其工作狀態(tài)，且在準確率上較傳統(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，其導通電阻迅速增大，使得功率MOSFET管產(chǎn)生電導調(diào)制效應，導致開關(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。

正因為開關(guān)電源被廣泛應用，同時對應用電路的維修與維護提出了更高的要求。針對以上問題，本文提出了一種基于噪聲測量技術(shù)的故障診斷方法，通過對開關(guān)電源工作原理的分析，建立功率MOSFET的噪聲模型［2］，并設(shè)計了用于開關(guān)電源噪聲檢測的噪聲測量系統(tǒng)，實驗表明，該方法能夠準確地測量到開關(guān)電源的噪聲并且利用其噪聲功率譜對其進行故障診斷，進而為實現(xiàn)對開關(guān)電源故障的早期故障預警提供一種可靠的方法。此種方法應用直觀、快捷、診斷時間短，電路易恢復，并且適合用于大多數(shù)種類的開關(guān)電源的維修與維護。

項目來源：浙江省教育廳科研項目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，當輸入直流電壓220 V經(jīng)過變壓器T1的初級加到場效應管Q2時，Q2控制極g若出現(xiàn)高電平，則Q2的源極s和漏極d就導通，即T1變壓器的初級就有電流通過，變壓器就有磁能被儲存。當Q2的控制極g為低電平時，場效應管的源極s和漏極d就斷開，這時由于變壓器儲存了磁能，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濾波對外輸出直流電壓為恒定12 V。由于Q2在關(guān)斷時，有高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，與輸入電壓和感應電壓個量疊加共同作用在Q2上，因漏極電壓過高超過了它本身所能承受的極限值，使場效應管損壞，為此在初級繞組兩端必須加鉗位電路進行保護。

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)生的時間歷程可分為兩類，分別為突發(fā)性故障和漸進性故障［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；漸進性故障是由于系統(tǒng)參數(shù)的逐步退化引起的，這種故障能夠進行預測，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)電源的漸進性故障。

漸進性故障是耗損性的，通常是由于元件耗損或缺陷不斷發(fā)展所導致的，隨著工作時間的增加，開關(guān)電源及其元件的性能不斷退化，導致開關(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)信息及故障信息對開關(guān)電源運行狀況進行可靠性評估，給定某種控制閾值，若達到閾值則發(fā)出故障警告，采取相應的預防性維修措施，否則繼續(xù)工作，同時，如果運行過程中出現(xiàn)故障［4］。則立即進行維修，維修后系統(tǒng)如新，狀態(tài)恢復到初始狀態(tài)。

圖3　可靠性浴盆曲線

2　噪聲測量系統(tǒng)設(shè)計及建模

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

圖4　單片開關(guān)電源的低頻噪聲測量系統(tǒng)

功率MOS器件是一種表面效應器件，表面載流子漲落是其1/f噪聲的主導結(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)波動引起的，而且溝道內(nèi)遷移率升降對其也有很大的影響［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

根據(jù)測試要求，本文設(shè)計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，同時要考慮到信號源（這里是被測噪聲源）的噪聲匹配，即最佳源阻抗應與信號源阻抗的匹配。從而保證前置級工作在最小噪聲狀態(tài)；其次，根據(jù)非噪聲質(zhì)量指標水平來對放大鏈后級進行設(shè)計，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，在整個放大電路中，首級放大電路對噪聲系數(shù)的影響是最大的，所以輸入級的噪聲性能設(shè)計得好，則整個放大器的性能就會提升［9］。為了降低放大器背景噪聲，輸入級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)計中，為減小從放大電路引入器件噪聲，避免其對DUT的噪聲信號產(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線接頭的焊點力求表面光滑，無尖角及突起，應在外面刷絕緣漆進行密封保護，以減少從焊點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DUT的阻抗較低時，BJT常應用在放大器的輸入級，這是因為相對于其他器件，它具有較低的等效輸入電壓噪聲。但是當DUT的阻抗高于100歐姆時，JFET常應用在放大器的輸入級，由于采用互功率譜測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)計的應用范圍，本文中選用JFET組成的差分電路作為輸入級我們采用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。第二級采用了TI公司生產(chǎn)的INA114，它可以根據(jù)需要進行不同放大倍數(shù)的設(shè)定，可供選擇的放大倍數(shù)為1～10 000，為方便計算我們采用了3個典型值：100倍、1 000倍、10 000倍。具體電路圖設(shè)計如圖6所示。

圖6　前置放大器電路原理圖

4　測試結(jié)果

在低頻噪聲測量領(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［11］，所以，要進行快速、準確的測量，首先對低噪聲前置放大器的性能進行驗證實驗。經(jīng)測試，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。證明該放大器在實現(xiàn)對低頻噪聲測量并將該小信號放大上，存在著性能上的顯著優(yōu)勢。其EIVN譜情況如圖7所示。

圖7　前置放大器的EVIN對比圖

利用前文所提方法，對一臺伊萊科S-15-12型單片開關(guān)電源進行多次低頻噪聲測試，測試結(jié)果如表1所示。

由測試結(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驗的單片開關(guān)電源的噪聲譜主要表現(xiàn)為1/f噪聲，同時，由測試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)出的是一種漸進性故障，并且由測試數(shù)據(jù)計算電流傳輸比可知，該單片開關(guān)電源的可靠性較低［12］，在惡劣的點環(huán)境下易出現(xiàn)故障，導致整機癱瘓，不能正常工作。所以在工作的過程中要監(jiān)測上述關(guān)鍵參數(shù)來保證開關(guān)電源工作在正常狀態(tài)下。

表1　低頻噪聲功率譜測試結(jié)果

5　結(jié)論

本文提出了一種針對單片開關(guān)電源的低頻噪聲測量故障診斷方法。分析了單片開關(guān)電源的工作原理及失效退化過程，設(shè)計了低頻噪聲測量系統(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，可滿足對單片開關(guān)電源低頻噪聲測量的需要。實驗結(jié)果表明，基于噪聲測量技術(shù)的開關(guān)電源故障診斷方法準確地提取到噪聲數(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試技術(shù)及應用研究［D］.西安：西安電子科技大學，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，陳海波，何玉娟，等.電離輻射對部分耗盡絕緣體上硅器件低頻噪聲特性的影響［J］.物理學報，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，吳為敬，李斌，等.非晶銦鋅氧化物薄膜晶體管的低頻噪聲［J］.物理學報，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.改進型低頻噪聲測量方法研究［J］.電測與儀表，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試方法研究［J］.物理學報，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)域為電源技術(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