DC-DC電源模塊

電源模塊作用是為微控制器、集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器、模擬電路及其他數(shù)字或模擬負(fù)載供電。電源模塊雖然可靠性比較高,但在使用過(guò)程也可能出現(xiàn)故障,主要的故障原因分為兩大類:參數(shù)異常和使用異常。下文將分析較為常見(jiàn)的電源模塊參數(shù)異常故障問(wèn)題,提供相應(yīng)的解決方案,其中的某些故障,您或許也遇到過(guò)。

一、輸入電壓過(guò)高

針對(duì)電源模塊輸入?yún)?shù)異?！斎腚妷哼^(guò)高。這種異常輕則導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作,重則會(huì)燒毀電路。那么輸入電壓過(guò)高通常是哪些原因造成的呢?

l 輸出端懸空或無(wú)負(fù)載;

l 輸出端負(fù)載過(guò)輕,輕于10%的額定負(fù)載;

l 輸入電壓偏高或干擾電壓。

針對(duì)這一類問(wèn)題,可以通過(guò)調(diào)整輸出端的負(fù)載或調(diào)整輸入電壓范圍,具體如下所示:

l 確保輸出端不小于少10%的額定負(fù)載,若實(shí)際電路工作中會(huì)有空載現(xiàn)象,就在輸出端并接一個(gè)額定功率10%的假負(fù)載;

l 更換一個(gè)合理范圍的輸入電壓,存在干擾電壓時(shí)要考慮在輸入端并上TVS管或穩(wěn)壓管。

二、輸出電壓過(guò)低

針對(duì)電源模塊輸出參數(shù)異?！敵鲭妷哼^(guò)低。這可能會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)不能正常工作,如微控制器系統(tǒng)中,負(fù)載突然增大,會(huì)拉低微控制器供電電壓,容易造成復(fù)位。并且電源長(zhǎng)時(shí)間工作在低輸入電壓情況下,電路的壽命也會(huì)出現(xiàn)極大的折損。因此輸出電壓偏低的問(wèn)題是不容忽視的,那么輸出電壓過(guò)低通常是那些原因造成的呢?如下圖1所示。

l 輸入電壓較低或功率不足;

l 輸出線路過(guò)長(zhǎng)或過(guò)細(xì),造成線損過(guò)大;

l 輸入端的防反接二極管壓降過(guò)大;

l 輸入濾波電感過(guò)大。

圖1 輸出電壓過(guò)低原因

針對(duì)這一類問(wèn)題,可以通過(guò)調(diào)整供電或者更換相應(yīng)的外圍電路來(lái)改善,具體如下所示:

l 調(diào)高電壓或換用更大功率輸入電源;

l 調(diào)整布線,增大導(dǎo)線截面積或縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度,減小內(nèi)阻;

l 換用導(dǎo)通壓降小的二極管;

l 減小濾波電感值或降低電感的內(nèi)阻。

三、輸出噪聲過(guò)大

針對(duì)電源模塊輸出參數(shù)異常——輸出紋波噪聲過(guò)大。眾所周知,噪聲是衡量電源模塊優(yōu)劣的一大關(guān)鍵指標(biāo),在應(yīng)用電路中,模塊的設(shè)計(jì)布局等也會(huì)影響輸出噪聲,那么輸出紋波噪聲過(guò)大通常是哪些原因造成的呢?

l 電源模塊與主電路噪聲敏感元件距離過(guò)近;

l 主電路噪聲敏感元件的電源輸入端處未接去耦電容;

l 多路系統(tǒng)中各單路輸出的電源模塊之間產(chǎn)生差頻干擾;

l 地線處理不合理。

ZDS2024示波器測(cè)試有較大噪聲干擾問(wèn)題的電源模塊,如圖2所示:

圖2 電源紋波波形圖

針對(duì)這一類問(wèn)題,可以通過(guò)將模塊與噪聲器件隔離或在主電路使用去耦電容等方案改善,具體如下:

l 將電源模塊盡可能遠(yuǎn)離主電路噪聲敏感元件或模塊與主電路噪聲敏感元件進(jìn)行隔離;

l 主電路噪聲敏感元件(如:A/D、D/A或MCU等)的電源輸入端處接0.1μF去耦電容;

l 使用一個(gè)多路輸出的電源模塊代替多個(gè)單路輸出模塊消除差頻干擾;

l 采用遠(yuǎn)端一點(diǎn)接地、減小地線環(huán)路面積。

四、電源耐壓不良

針對(duì)電源模塊性能參數(shù)異?！娫茨K的耐壓不良。通常,隔離電源模塊的耐壓值高達(dá)幾千伏,但可能在應(yīng)用或測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)不能達(dá)到該指標(biāo)的情況,那么哪些因素會(huì)大大降低其耐壓能力呢?

l 耐壓測(cè)試儀存在開(kāi)機(jī)過(guò)沖;

l 選用模塊的隔離電壓值不夠;

l 維修中多次使用回流焊、熱風(fēng)槍。

用耐壓儀測(cè)試電源模塊隔離電壓的方法如圖3所示:

圖3 耐壓測(cè)試圖

針對(duì)這一類問(wèn)題,可通過(guò)規(guī)范測(cè)試和規(guī)范使用兩方面改善,具體如下所示:

l 耐壓測(cè)試時(shí)電壓逐步上調(diào);

l 選取耐壓值較高的電源模塊;

l 焊接電源模塊時(shí)要選取合適的溫度,避免反復(fù)焊接,損壞電源模塊。

五、電源模塊啟動(dòng)困難

首先是破壞力較小的情況——電源模塊在啟動(dòng)中出現(xiàn)啟動(dòng)困難,甚至啟動(dòng)不了。大家在使用電源模塊過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)電源模塊輸出端電壓正常,輸出端就是沒(méi)有任何輸出,電源模塊也無(wú)損壞,是什么原因呢?具體原因如下所示:

l 外接電容過(guò)大;

l 容性負(fù)載過(guò)大;

l 負(fù)載電流過(guò)大;

l 輸入電源功率不夠。

針對(duì)這一類問(wèn)題,可以通過(guò)調(diào)整輸出端的電容以及負(fù)載或調(diào)整輸入端的功率進(jìn)行改善,具體如下所示:

l 外接電容過(guò)大,在電源模塊啟動(dòng)時(shí)向其充電較長(zhǎng)時(shí)間,難以啟動(dòng),需要選擇合適的容性負(fù)載;

l 容性負(fù)載過(guò)大時(shí)需先串聯(lián)一個(gè)合適的電感;

l 輸出負(fù)載過(guò)重時(shí)會(huì)造成啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng),選擇合適負(fù)載;

l 換用功率更大的輸入電源。

六、模塊發(fā)熱嚴(yán)重

較啟動(dòng)困難而言,更為嚴(yán)重的使用異常情況是電源模塊在使用的時(shí)候發(fā)熱很?chē)?yán)重。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因是由于電源模塊在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中有能量損耗,產(chǎn)生熱能導(dǎo)致模塊發(fā)熱,降低電源的轉(zhuǎn)換效率。這會(huì)影響電源模塊正常工作,并且可能會(huì)影響周?chē)渌骷男阅?這種情況需要馬上排查。那么什么情況下會(huì)造成電源模塊發(fā)熱較嚴(yán)重呢?具體原因如下所示:

l 使用的是線性電源模塊;

l 負(fù)載過(guò)流;

l 負(fù)載太小:負(fù)載功率小于模塊電源輸出功率的10%,都會(huì)有可能會(huì)導(dǎo)致模塊發(fā)熱(效率太低);

l 環(huán)境溫度過(guò)高或散熱不良。

熱成像儀觀測(cè)下的發(fā)熱電源模塊如圖4所示:

圖4 電源模塊熱成像圖

針對(duì)這一類問(wèn)題,可以通過(guò)外在環(huán)境的優(yōu)化或通過(guò)調(diào)整負(fù)載來(lái)改善,具體如下所示:

l 使用線性電源時(shí)要加散熱片;

l 提高電源模塊的負(fù)載,確保不小于10%的額定負(fù)載;

l 降低環(huán)境溫度,保持散熱良好。

七、模塊電源損壞較快

那么比電源模塊發(fā)熱更為嚴(yán)重的使用異常情況自不必多說(shuō),那就是這個(gè)電源模塊直接損壞了。那么電源模塊使用沒(méi)多久就損壞,并且更換后沒(méi)幾天又壞了,這是什么原因?qū)е碌哪?首先需要排除掉是否是使用劣質(zhì)的電源這一情況,那么還有哪些因素會(huì)導(dǎo)致這一問(wèn)題呢?具體原因如下圖5所示:

l 輸出負(fù)載過(guò)輕使其可靠性降低所致;

l 輸出端電容過(guò)大導(dǎo)致模塊啟動(dòng)時(shí)造成損壞;

l 輸入端電壓長(zhǎng)期偏高導(dǎo)致模塊輸入端開(kāi)關(guān)管損壞。

圖5 電源模塊損壞

這一類問(wèn)題也是負(fù)載不匹配導(dǎo)致的,可以通過(guò)改變輸出負(fù)載、電容或者改變合適的輸入電壓通過(guò)改善,具體如下:

l 確保輸出端不小于少10%的額定負(fù)載,若實(shí)際電路工作中會(huì)有空載現(xiàn)象,就在輸出端并接一個(gè)額定功率10%的假負(fù)載;

l 選取符合電源模塊技術(shù)手冊(cè)規(guī)格的電容;

l 選擇合適的輸入電壓。

八、電源模塊上電后快速燒毀

較于上一種電源模塊損壞的情況而言,更可怕的情況就是,不僅壞了電源甚至把整個(gè)電路都燒毀了。具體的現(xiàn)象就是電源模塊剛上電就燒毀冒煙了,輸入端的電容炸裂,如圖6所示,這一類問(wèn)題是最為嚴(yán)重的,需要在前期設(shè)計(jì)中盡量避免,那么若是已經(jīng)發(fā)生了這一情況,它到底是什么原因?qū)е碌哪?具體如下所示:

圖6 電源模塊燒毀

l 輸入電壓極性接反了;

l 輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)稱電壓;

l 輸出端極性電容接反了;

l 輸出電路易引起短路或者外接負(fù)載在上電瞬間存在大電流。

這一類問(wèn)題是最為嚴(yán)重的故障,需要重新檢查一遍電路進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化或者調(diào)整電壓,具體如下所示:

l 接線前注意檢查或加防反接保護(hù)電路;

l 選擇合適的輸入電壓;

l 上電前檢查電容極性,確保正確;

l 在電源模塊輸出端加短路保護(hù)。來(lái)源:ZLG致遠(yuǎn)電子