特定工作条件下的开关电源模块失效分析

DC/DC（直流-直流转换）开关电源模块是一种运用功率半导体开关器件实现功率转换的开关电源。它具有体积小、质量轻、功率密度高、转换效率高、可靠性高等优点，在计算机、通信等以及航天、航空等领域有着广泛的应用[1] 。然而，由于电源本身或外围电路设计不当、使用不当以及散热设计不合理等多种原因，均会造成开关电源模块在使用过程中发生失效。本文结合某特定工作条件下的失效案例，通过对该开关电源模块及其外围电路工作原理的分析，对其失效机理进行原理分析与仿真，对后续开关电源模块外围电路的设计和使用提出了建议。
1失效背景
某型开关电源模块是一款开关模式的DC/DC非隔离电源模块。模块内部集成了PWM控制器、驱动、功率MOSFET和滤波器件[2] 。模块将输入的+5V电压转换成1.2V、2.5V、3.3V等4路输出。其在系统及单板上的工作工况如图1所示。由直流稳压电源提供的28.5V一次电源经系统内隔离电源变成+5V二次电源， +5V电源在板上经一级LC滤波后送至开关电源模块转换成各路输出电压供板上负载使用[3] 。
在系统某次测试时，由于直流稳压电源初始输出电流设置值小于系统正常启动所需电流，直流稳压电源发生了限流，将输出电流重新设置后再次加电，发现系统内电路板工作异常。用万用表测量开关电源模块输入+5V对地电阻，测试结果显示输入端对地短路，初步判断该开关电源模块已失效损坏。

2故障树分析
针对该电源模块失效问题列出故障树，如图2所示。

X1其他电路异常：指与开关电源模块使用相同+5V电源的板上其他电路异常导致的电源模块失效。
拆除失效的电源模块后，用万用表测量+5V电源对地，阻值为4.07kΩ ，不再短路。更换新的DC/DC电源模块后对电路板进行加电测试，电路功能恢复正常，因此可排除该底事件。
X2负载异常：由于开关电源模块输出负载电路异常造成的电源模块失效。通过对X1底事件的排查，即更换新的电源模块后电路功能恢复正常，同样可排除该底事件。
X3内部异常：由于开关电源模块内部电路存在多余物、焊装异常等造成的电源模块失效。对失效模块进行X光检查，结果如图3所示，可见模块内部4个通道相关元器件焊装规整，未见异常搭接、多余物等，可排除该底事件。

X4输入异常：根据开关电源模块失效前经历过直流稳压电源限流这一特点，人为将直流稳压电源输出电流设置为小于电路正常工作所需电流，用示波器监测开关电源模块输入+5V电压，测试结果如图4所示。 +5V输出电压一直在约2.3～6V间来回振荡。经查询，该开关电源模块推荐最大工作电压为5.5V ，最大极限工作电压为6V ，因此不能排除该底事件。

综上所述， 4个底事件中可以排除同样使用+5V电源的其他电路、开关电源模块内部及负载电路的影响，无法排除的底事件为开关电源模块输入过压异常[4] 。
3失效原因及失效机理分析
3.1开关电源模块输入电压振荡分析
由图1可知，在整个系统中，开关电源模块的输入即前级隔离电源的输出。经与隔离电源厂商沟通得知，该隔离电源具有欠压保护功能，欠压设定值约为23V 。当输入电压低于23V时，隔离电源不工作，各路输出电压为0；当输入电压高于23V时，隔离电源开始工作，各路输出正常电压值。当直流稳压电源输出的28.5V电压由于设置不当限流时，相当于隔离电源输入功率受到了限制，从而无法满足输出功率的需求。当隔离电源加电后，输入电压从0V开始上升，当上升至开启电压23V以上时，隔离电源开始工作，并将输入功率传递到输出端，此时+5V输出电压开始上升，输出功率开始增加，当输出功率增加至输入功率无法满足其需求时，输入电压就会被拉低（如图5中t1-t2波形），当输入电压被拉低至23V以下时，隔离电源停止工作， +5V输出电压开始下降（如图5中t2-t3波形），直至输入电压再次上升至23V以上时，隔离电源再次开始工作， +5V输出电压开始上升，此后将重复先前过程，最终形成图5所示的振荡波形。