高会壮 陈 光 陈 波 李瑞媛

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

DC-DC电源作为电子系统的二次或三次电源，是电源母线与各单机系统之间的“桥梁”，起到为各个工作模块提供工作电源的作用。随着集成电路技术的发展，以DC-DC转换器为主体的开关电源以转换率高、重量轻、体积小等优势逐步取代了传统的线性电源。DC-DC电源模块发展符合轻小型、智能化、长寿命等发展趋势，是电源系统的关键部分，其可靠性将直接决定电源系统的稳定性，甚至会影响设备任务的成败，造成灾难性后果［1～2］。

轨道交通设备所受影响主要来源是温度应力与振动应力，这些环境影响对内部DC-DC电源模块正常工作带来威胁，导致其性能随着工作时间逐步退化。比如在振动应力的作用下，导致基板受力不均，MOS管、二极管等表贴器件会产生破裂，导致故障。另外，电应力可能造成器件瞬间击穿等失效情况，这些故障对设备的正常状态影响非常大［3～4］。本文基于DC-DC电源模块常见故障模式，选取典型器件进行仿真分析，确定故障诊断方法。

2 基于有限元的薄弱坏节识别

2.1 典型DC-DC电源模块有限元建模

由于实际的DC-DC电源模块内部比较复杂，根据热分析与振动分析的需要，内部电阻在工作过程中不敏感，同时功率小，产热不大，在振动环境中不容易受到影响。综合考虑，主要器件为MOS开关管、二极管、变压器、电感、电容与光电耦合器，同时包括基板［5，9］。

根据上面的分析，建立三维模型如图1。

图1 DC-DC电源模块模型

2.2 热仿真分析

2.2.1 热源参数设置

DC-DC电源模块中主要发热元件为MOS开关管，肖特基二极管，变压器与输出电感［9，13］。下面对所有器件发热进行情况进行分析。

1）MOS开关管

MOSFET主要参数包括漏极电流、阈值电压、导通电阻、漏源击穿电压等［6］。开关管的总损耗包括通态损耗和开关损耗，由于MOS的开关损耗较小，将开关管的开关损耗略去。MOSFET的导通损耗Pcon为

式中，RDS(on)为MOSFET的导通电阻；Irms为电流有效值。本文中器件满载时，MOS电流有效值为1.5A。导通电阻为0.3Ω。因此MOS平均损耗为0.675W。

2）肖特基二极管

二极管的损耗包括通态损耗和反向恢复损耗，反向恢复损耗值较小，本文将其忽略。肖特基二极管的通态损耗PDR-on为

式中，为二极管正向导通压降；为二极管输出电流。一般情况，肖特基二极管的正向压降约为0.7V，输出电流约为0.6A。计算可得SBD的平均功率为PDR-on=0.21W。

3）变压器

变压器相当于由两个多线圈的电感相互耦合而成，包括初级和次级。在交流磁化过程中，变压器会发热，主要损耗包括三种：磁滞损耗（Ph）、涡流损耗（Pe）和剩余损耗（Pc），即：

4）电感

由于绕线电阻的存在，电感器要消耗一定的能量。电感功耗的计算公式为

其中，L为电感值，I为电流，F为电路频率。根据DC-DC电源模块相关数据资料，输出电感为3μH，电路频率为300kHz，电流取A，计算可得功耗为1.40625W；输入电感电流变化小，损耗不计。

2.2.2 结果分析

求解温度场分析［7～8］，在25℃环境温度下结果如图2（a），温度最高为85.5℃左右，集中在MOS管和输出电感处。

环境温度为50℃下结果如图2（b），环境温度达到80℃时的结果如图2（c）。50℃时最高温度为108.55℃，集中在MOS管与输出电感以及二极管和变压器上。80℃最高已经达到135.7℃。经过分析可知温度集中较高的是MOS管和输出电感，二极管与变压器也比较高。

图2 25℃、50℃、80℃热分析结果

环境温度为80℃时，结构应力图如图3所示，最大应力1.27*10-9MPa，主要集中在二极管、MOS管和陶瓷与底座连接处。

图3 80℃热应力图

通过以上分析，可以认为在温度应力影响下，主要影响DC-DC电源模块发生故障的器件是MOS管、二极管、变压器与输出电感。

2.3 振动仿真

电子设备在收到振动环境影响的情况下，可能引起机械变形而产生损伤，或者发生疲劳断裂，受到过应力等产生裂纹。有些冲击和碰撞是瞬时作用，瞬时加速度很大，瞬间作用力也就很大，对质量较差的塑封元器件损害最大。同时对其中键合丝也有影响。

首先进行模态分析，模态分主要是对模块的固有频率进行分析。在振动分析之前，需要先进行模态分析，得到固有频率，在此基础上，施加振动量级PSD曲线，计算最终结果。对DC-DC电源模块进行6阶模态分析。在模态分析中，结构上不包含激励，结果是自由振动情况下的应变。本文研究的DC-DC电源模块的应用主要为航空等国防装备领域，在GJB l50对设备的随机振动环境做了规定，在根据其中表述的喷气式飞机振动环境设置PSD数值，进行仿真，结果如下。

图4 随机振动应变图

图5 随机振动应力图

由振动分析应变和应力图来看，当电源模块发生随机振动时易导致输出电感从底板脱落甚至损坏，导致电源模块损坏。光耦、MOS管、PWM芯片和二极管处形变量也很大，而微小的形变都将导致这些器件产生裂纹或与焊锡层脱离，导致其功能故障，对整个电源模块性能稳定性也将产生影响。

综合以上研究，结合实际失效案例中输入电感与电容和变压器失效情况非常少，最终确定影响DC-DC电源模块失效情况的关键器件是：MOS管、二极管、输出电感、光电耦合器以及PWM控制芯片。

3 状态测试信号分析

3.1 敏感参数及仿真电路

根据热应力与振动应力仿真，结合实际应用中的失效情况，确定关键器件为MOS开关管、输出电感、输出电容、二极管和光电耦合器［14～15］。定义各器件状态如表1。

表1 器件故障状态定义

利用PSpice建立仿真电路［10～11］，仿真电路输入电压30V，输出电压5.86V电路原理图如图6。

图6 DC-DC电源模块系统结构原理图

3.2 测试信号

3.2.1 输出端脉冲电流测试

设置仿真电路参数为向下电流脉冲500mA，初始电流为0，脉冲宽度100μs。设置扫描参数为输出整流滤波中的电感L值，正常值为10mH，幅值为1.904V，振荡个数N为2。在正常值基础上分为四个模式，针对该电路设定正常输出为不低于正常输出电压0.1V为正常范围，仿真电路输出值为5.877V。输出端电流脉冲情况下，输出电感对输出振荡信号个数无影响。如果输出电感断路则输出为0，在脉冲输出时产生上上的尖峰达到3.081V。

续流二极管断路和短路仿真结果如下。结果表明，续流二极管断路或者短路后，输出电压为0，当电流脉冲被注入时，短状态会有阻尼震荡曲线，断路状态会产生脉冲尖刺。

结果显示，在输出整体为0的基础上，每到脉冲注入时会产生振荡。

稳压二极管短路和短路情况如图7。当电流脉冲被注入时，在短路状态下会有一个阻尼振荡曲线，且与续流二极管短路状态不同的是在电路调整阶段无任何输出。在开路状态下输出表现为输出略大于0，且会产生有一个尖峰脉冲。

图7 续流二极管故障状态仿真

图8 稳压二极管故障状态仿真

在输出接近0的情况下，每到脉冲注入时产生突变。

通过以上分析，可以知道：输出端电流脉冲对CTR测试结果较好，同时也可以反应MOS管和二极管的情况；对输出电感和输出电容情况也有反映。

3.2.2 输入端直流测试

直流电源可以直接检测DC-DC电源模块输出是否符合标准。MOS管的导通电阻增加，会造成输出电压降低。MOS管断路则输出为0，短路输出需要在输入端设置一个防电源短路电阻，输出结果为0。

图9 MOS管故障状态仿真

总结上述三种测试信号的影响，得到结果如下。

重要器件为输出电感、输出电容光电耦合器、MOS管、续流二极管和稳压二极管。

测试方法：

1）输出电感，输出电容都可以利用输出端施加脉冲电流信号进行测试，记录阻尼振荡波形；

2）光电耦合器通过在输出端施加脉冲电流信号，发现CTR值对阻尼振荡次数N影响明显；

3）MOS管状态测试，可以利用直流电压测试方法记录输出电压值；

4）续流二极管和稳压二极管故障状态只有短路和断路两种，直接利用输出端施加脉冲电流信号，检测输出波形进行对比。

4 基于输出电压波形的故障诊断

4.1 光耦

光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。这是因为当CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF＞5.0mA），才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出［12］。一般规定半导体光电耦合器的CTR不得低于额定值的20%。该仿真电路的光耦CTR额定值为1.5，当光耦的CTR从1.0变化到3.0，输出结果如表2。

表2 光耦CTR变化仿真数据

采用上节的仿真电路进行分析，当CTR为0时，输出电压降为4.44V，N为1。数据散点图如图10。

图10 光耦CTR对阻尼振荡的影响

根据图中曲线，可知随着CTR的减小，振荡次数减小，这与前面瞬态分析结果C T R∝N2结果总趋势相一致。当振荡次数为3以下时，表明该电路的光耦CTR已经低于0.8，小于额定值的20%，电路已经处于失效状态。

4.2 MOS管

设置MOS管有三种故障模式，Rds（on）增大、击穿开路以及短路。所用IRF150型NMOS管模型中给定的Rd为1.031mΩ，Rd将会慢慢增大，导致最终电路失效。设置Rd从0.001Ω～3Ω，利用直流电压测试，结果如表3（Rd单位Ω，输出电压为V）。

表3 MOS管Rd变化仿真数据

数据折线图与经过曲线拟合的结果如图11所示。

图11 MOS管故障输出特性

拟合得到的公式为VOUT=4.5683e-2.029Rd，R2=0.9944，拟合结果非常好。我们可以认为，随着Rd的减小，输出电压VOUT成指数减小。针对MOS管断路与短路，则无输出。

4.3 二极管

续流二极管和稳压二极管故障状态只有两种，先利用直流电压测试，后用脉冲电流测试。续流二极管短路或者断路都将导致无任何输出。在直流电压下稳压二极管短路与定性分析中一致，输出电压在0V振荡。断路输出与定性分析中一致，电压为160mV左右。

振荡处为2.40V。断路结果整体为0V，有向上的突变电压。稳压二极管短路情况下，输出整体为0V，有振荡波形。断路结果整体为160mV，有向上的突变电压。

5 结语

本文提出了提出一种基于波形分析的针对DC-DC电源模块故障模式识别方法。本文对DC-DC电源模块进行电路仿真分析，得到测试信号的类型与施加方式，并确定了各内部器件在不同测试信号下的响应情况。通过对输出电压波形的分析，根据阻尼震荡次数确定反馈回路中光电耦合器的故障状态。同时根据输出电压值判断MOS管的导通电阻情况，另外也对续流二极管和稳压二极管的故障状态进行了仿真分析。得到结论：光电耦合器对输出阻尼震荡次数有影响，可以根据阻尼震荡次数对光电耦合器状态进行判断；输出电压值水平可以判断MOS管导通电阻大小情况。