基于瞬態信號分析的電源模塊故障模式識別?

高會壯 徐 昕 王長鑫 武榮榮 胡迎茜

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

1 引言

直流變換（DC-DC）電源模塊是電子系統的電源供應器，有升壓和降壓兩種，可以為專用集成電路（ASIC）、數字信號處理器（DSP）、微處理器、現場可編程門陣列（FPGA）及其他數字或模擬負載供電。隨著集成電路技術的發展，以DC-DC 轉換器為主體的開關電源以轉換率高、重量輕、體積小等優勢逐步取代了傳統的線性電源，是電源系統的關鍵部分，其可靠性將直接決定電源系統的可靠應用［1～2］。

在設備實際應用環境中，會遇到溫度應力、機械應力、電應力等多種環境應力影響，電源模塊裝機應用前開展的測試篩選試驗不足以解決使用中的退化問題［3］，對于一些較為極端的應用環境更是如此。環境應力對DC-DC 電源模塊正常工作帶來威脅，導致其性能隨工作時間增加逐步退化，比如在振動應力的作用下，基板受力不均，MOS管、二極管等表貼器件會產生破裂，導致故障［4～5］；還有電應力可能造成器件瞬間擊穿等失效情況，對于鋁電解電容，外部溫度上升會導致電容量減小、等效串聯電阻ESR 增大，導致濾波性能減弱，對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］。這些故障情況對設備的正常工作狀態影響非常大，所以開展針對電源模塊的故障研究具有重要意義。

2 電源模塊的瞬態響應特征

當在電源模塊輸入和輸出施加電應力信號（電壓脈沖或電流脈沖）時，電源模塊的輸出波形將產生特定變化。當工作條件和環境發生改變，模塊中的反饋回路可以提供一個修正量，使模塊保持輸出電壓穩定［8］。當輸入級電壓發生階躍變化時，調整輸出電壓處于穩定狀態的關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生突變時的系統框圖。

圖1 電源模塊瞬態響應分析框圖

圖1（a）輸出電壓為

其中T(s)為環路傳遞函數，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)為系統傳遞函數，Zout為輸入阻抗。

典型DC-DC電路傳遞函數如下：

其中Gvd(s)為控制-輸出傳遞函數，里面包含輸出級電感與電容等參數；GM(s)為PWM 傳遞函數，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，為無量綱常數。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、輸出級電感、電容、電阻。

為分析各器件與輸出的關系，簡化電路，去掉輸入級電感和電容，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為輸出級電感、電容、電阻。

帶入后得到：

根據拉氏變換，可以得到CTR∝，由于周期T==N，所以CTR∝N2。

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

3 典型電源模塊仿真電路搭建

DC-DC 電源模塊電路內部結構主要包含輸入濾波電路，功率開關管，脈寬調制器（PWM），變壓器，反饋回路中的光耦，輸出端的整流濾波電路，續流二極管與穩壓二極管。PWM 信號發生器基本電路為方波發生電路與RC 積分器和反饋信號，經過一個比較器產生PWM 控制信號，如圖2 所示。PWM輸入與輸出信號波形時序圖如圖3。

圖2 PWM信號發生電路

圖3 PWM發生器輸入和輸出信號時序圖

本文研究對象為降壓型DC-DC 電源模塊，根據開關電源架構［12］，設計一個具有光耦反饋的DC-DC 電路，利用一個方波發生器和RC 積分器與輸出端的反饋信號，通過一個比較器產生PWM 控制信號，控制MOS 管通斷，實現電壓的改變。輸出級利用一個分壓電阻取得信號，通過信號放大器和光耦傳回到PWM電路進行綜合［10］。搭建的仿真電路參數具體為輸入電源與電壓基準為30V，脈沖電源的脈沖寬度和周期均為50μs，輸出電壓波形在9ms處達到穩定狀態，輸出電壓穩定為5.86V。

4 測試信號分析

4.1 測試信號類型

4.1.1 輸入端脈沖電壓測試信號

測試條件包括測試輸入信號的具體特征以及施加方式。首先采用簡單的Buck 電路［9］進行仿真確定測試信號特征，電路參數設置描述為正常工作時，啟動后在4ms 時輸出電壓達到平穩；輸入電源采用電壓信號源，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。仿真結果如圖4所示。

圖4 電壓脈沖測試輸出波形

從波形可得出，對于占空比恒定的無反饋DC-DC 電路，整個系統為二階系統，在輸入電壓改變后，輸出會出現阻尼振動特性波形。說明輸入測試信號需要在保持DC-DC 電源模塊正常工作狀態下，疊加一個脈沖信號，查看輸出波形在脈沖加入狀態下的調節過程。

4.1.2 輸出端脈沖電流測試信號

設計脈沖電流發生電路，在電源模塊輸出端施加一個電流脈沖，引起輸出電壓產生阻尼振動特性波形。仿真電路波形如圖5 所示，電路參數設置描述如下：在正常輸出狀態下，4ms 時輸出電壓達到平穩。測試信號利用脈沖電流源，在電路啟動后6ms 給1μs 上升到4A 的電流，維持6ms 隨后以1μs下降到0A。

圖5 電流脈沖測試輸出波形

從波形可以看出，在輸出端施加一個電流脈沖，將使輸出電壓產生變化，在電感L 和電容C 的作用下產生阻尼振動，最后穩定在原來的輸出電壓值。設計脈沖電流輸出電路，實現對DC-DC 電路脈沖電流測試信號注入。

4.1.3 輸入直流測試信號

MOS管的故障狀態一般包括短路、開路與漏源電阻增大。通過直流狀態信號檢測可以得到MOS管的工作狀態。

4.2 測試信號參數分析

4.2.1 輸入端脈沖電壓測試信號

1）降壓型DC-DC電路

利用典型Buck 電路對測試信號具體參數進行分析。輸入電壓從50V～150V，每隔10V 取一個值，在DC-DC 電路輸出平穩后的6ms 時加入電壓脈沖信號，輸出波形具體數據如表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?6|。

當輸入信號電壓從100V 變為120V，上升時間分別從10ns 到100ns 間隔10ns 變化，與從100ns 到2μs 間隔100ns 變化，開展仿真分析。結果表明當脈沖上升時間相差不大時，整體波形狀態及輸出變化較小。

2）升壓型DC-DC電路

選擇簡單的boost電路進行分析。電路的占空比D=50%，所以輸出電壓為輸入電壓的兩倍。通過設置電壓脈沖在5ms時變化，幅值為30V到40V間隔2V，上升時間與下降時間為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，當測試脈沖電壓為負時如圖7。在電壓脈沖的作用下，輸出波形出現一個小脈沖，不同輸入脈沖電壓對幅度有影響。

圖6 電壓脈沖為正輸出波形

圖7 電壓脈沖為負輸出波形

對比分析兩種常見的DC-DC 電路，測試電壓脈沖信號在DC-DC 電路工作穩定時進行疊加輸入。根據不同電源模塊的輸入與輸出區別，利用可調脈沖源進行信號注入，選擇合適的輸出電壓脈沖幅值與脈沖寬度進行分析。針對一般DC-DC電源模塊選擇能產生5V 脈沖源即可滿足要求，脈沖上升時間為μs 級，通過調節占空比可實現脈沖寬度μs 級可調。輸出波形方面，對于降壓電路，輸出產生振蕩波形，可觀測特征為振蕩次數和振蕩幅度以及振蕩時間；對于升壓電路，輸出產生突變波形，為單一方向，可觀測特征為幅值和調整時間。

4.2.2 輸出端電流測試信號

1）降壓型DC-DC電路

利用PSpice 中電流信號源為電路施加信號激勵，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。根據輸出波形，知5V 電流可以滿足測試要求，并且電流越大，振蕩幅度越大，振蕩次數不變。當脈沖電流幅值一定，脈沖寬度變化時波形結果如圖8。

圖8 脈沖電流幅值一定脈沖寬度變化時輸出波形

通過波形判斷，500μs 以上波形都在第一個上升波形處發生彎折，這對于實際電路可能會發生干擾，對輸出結果檢測產生影響。為了輸出信號明顯，且將幅度控制在一定范圍內，選擇300μs 的波形比較合適。在實際測試時，需要考慮采用LC 濾波電路以降低輸出紋波。對于簡單電路輸入電流0A～5A，脈沖寬度控制在500μs 以內可滿足測試要求。

2）升壓型DC-DC電路

與降壓型電路類似，設計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系如圖9所示。

圖9 Boost電路輸出端電流脈沖測試數據條形圖

分析仿真結果，在電流為1A～2A 即可滿足測試需求，如電壓幅值變化過大，將干擾輸入與輸出波形對比分析，同時可能對器件造成損傷。設置脈沖幅值1A 固定，脈沖寬度為掃描參數，從100μs～500μs每隔100μs進行仿真，波形整體差距不大，對調節時間影響結果較小，故脈沖寬度可以取值500μs 以內。脈沖電流測試信號可以在輸出波形上產生類似輸入電壓脈沖信號的擾動，通過檢測波形特征，可以判斷對應器件的退化狀態。

4.2.3 輸入直流測試信號

對于MOS 管直流信號測試條件，只需施加DC-DC 電源模塊正常工作電壓，檢測關于MOS 管流過的電流或者兩端電壓即可得到所需特征參數。

5 電路仿真與故障識別

5.1 測試信號響應分析

不同DC-DC 電源內部的輸出電感、輸出電容、MOS管、整流續流二極管和光耦這幾個主要部件功能類似，可利用本文前面章節建立的仿真電路來分析得到通用的數據關系。根據電源模塊薄弱環節的相關研究成果，關鍵器件確定為MOS 管、輸出電感、輸出電容、二極管和光電耦合器［11］。

5.1.1 輸入端脈沖電壓測試

設置仿真電路參數為向下脈沖8V，脈沖寬度500μs。可得到如圖10輸出結果。

圖10 輸入端電壓脈沖測試輸出波形

圖11 續流二極管短路輸出波形

設置掃描參數為輸出電感的L 值，正常值為10mH，幅值為0.27V，振蕩個數N為1。在正常值基礎上分為四個模式，針對該電路設定正常輸出電壓為VOUT±0.01V，本文仿真電路輸出值為5.87V。仿真結果表示：當L 降為1mH 時，輸出紋波已經超出0.1V，且輸出電壓無法保持正常穩定輸出。當電感斷路，則輸出為0；短路，則紋波更大。綜上，輸出電感對電路的影響主要體現在輸出紋波大小，從檢測輸出紋波情況可考察輸出電感的工作狀態。

光耦的CTR（電流傳輸比），仿真電路中光耦CTR 默認為1。隨著時間的推移，光耦將出現退化導致CTR 值減小，設置CTR 從0.10 到1.00 進行變化，得到如表2 所示仿真結果。表明隨著CTR 變小，輸出電壓減小，振蕩次數減小，當CTR=0.2 時，電壓減小約0.9V。

表2 電壓脈沖條件下CTR變化對輸出波形的影響

對于輸出端續流二極管短路輸出波形如圖。如果續流二極管斷路，則沒有輸出。

圖12 顯示穩壓二極管短路時輸出波形，斷路時結果如圖13。

圖12 穩壓二極管短路

圖13 穩壓二極管斷路

對比后發現穩壓管短路后，輸出波形一直在0V波動，而續流管短路則比較平穩。

綜合以上分析，得到結論：輸入端電壓脈沖可測試輸出端電容值變化；測試紋波電壓可以對輸出端電感值進行檢測；同時輸出電壓波形紋波電壓可表征MOS管狀態。

5.1.2 輸出端脈沖電流測試

設置仿真電路中輸出端脈沖電流參數為向下脈沖500mA，初始電流為0，脈沖寬度100μs。設置掃描參數為輸出電感的L 值，正常值為10mH，得到輸出波形幅值為1.904V，振蕩個數為2。結果表明輸出端施加電流脈沖情況下，輸出電感L 值對輸出振蕩信號個數無影響。如果輸出電感斷路則輸出為0，在輸出端產生峰值為3.081V的向上尖峰。

對于光電耦合器，將CTR設置為從默認值逐漸減小時，輸出波形的阻尼振動個數逐漸減少。續流二極管和齊納二極管故障都會導致輸出電壓為0V，并在脈沖電流輸入端產生振蕩或尖峰。

根據仿真結果，輸出端施加電流脈沖可以準確反映光電耦合器CTR的值，并且還可以測試二極管的狀態。輸出波形的阻尼振動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測試。

5.1.3 輸入端直流測試

直流電源可以直接檢測DC-DC 電源模塊輸出是否符合標準。MOS管的導通電阻增加，會造成輸出電壓降低。MOS 管斷路則輸出為0，導通電阻增大會導致輸出電壓減小。

5.2 基于波形分析的故障診斷

通過前面定量分析確定在測試中使用的測試信號和檢測的輸出數據，現進行定量分析。主要測試信號為輸出端電流脈沖信號與直流電壓信號。對于簡單的DC-DC 變換電路可采用曲線擬合方法來研究退化器件參數與輸出波形的關系。由于電路內部結構相對簡單，通路之間的數學關系比較明確，可以直接擬合出相關性高的曲線和數學模型。

5.2.1 光耦

一般規定半導體光電耦合器的CTR 不得低于額定值的20%。設置仿真電路的光耦CTR 額定值為1.5，結果表明當CTR 為0 時，輸出電壓降為4.44V，N 為1。隨著CTR 的減小，振蕩次數減小，與瞬態分析得到的CTR ∝N2結果趨勢一致。當振蕩次數為3 以下時，表明該電路的光耦CTR 已經低于0.8，小于額定值的20%，電路已經處于失效狀態。

5.2.2 MOS管

設置MOS 管分別處于三種故障模式：Rd（on）增大、擊穿開路以及短路。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。設置Rd 從0.001Ω～3Ω變化，利用直流電壓測試方法，結果表明輸出電壓從4.94V 減小到0.03V。擬合得到VOUT=4.5683e-2.029Rd，R2=0.9944，發現隨著Rd 的減小，輸出電壓VOUT成指數減小。若MOS管為斷路或短路，則電路無輸出。

5.2.3 二極管

仿真結果表明續流二極管開路或短路后電路輸出電壓為0V，當注入電流脈沖時，二極管短路造成輸出產生阻尼振動，在開路狀態下產生脈沖尖峰。針對穩壓二極管，當注入電流脈沖時，短路狀態下輸出會出現阻尼振動，與短路狀態下的續流二極管波形不同，在電路初始階段無輸出。在開路狀態下，結果顯示輸出略大于0V，并伴隨脈沖尖峰。

6 結語

本文針對DC-DC 電源模塊故障模式開展了分析，建立了DC-DC 電源模塊瞬態響應傳遞函數的方框圖，經過分析計算，得出特定脈沖測試信號對輸出電壓的影響情況。基于瞬態響應分析，利用PSpice 搭建仿真電路，并完成特征信號參數研究。同時搭建了DC-DC 電源模塊仿真電路，設置具體測試信號，檢測并分析輸出波形，實現了在模塊內部不同組成元器件故障狀態下的具體故障識別。