某型船电力监控设备电源模块故障分析及处理

顾雪晨

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）

某型船电力监控设备电源模块故障分析及处理

顾雪晨

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）

以某型船电力监控设备的电源模块在实际使用中发生的故障为研究背景，对电源模块故障发生的原因进行理论分析，并结合实际故障情况，提出了处理方法和措施.最后搭建试验平台进行了对比试验。

故障分析；电源模块；PCB线宽；散热

0 引言

DC/DC电源模块广泛应用于装备系统以及工业领域中，它体积小、质量轻、转换效率高，其高可靠性可保证系统的正常工作和性能发挥。但由于电源本身设计不当或者散热工艺不合理等多种原因，在实际工作中有时会发生电源模块失效等问题。

本文结合电源模块故障案例，对故障原因进行分析，提出了解决措施，搭建试验平台进行对比试验，验证了可行性。

1 故障现象

2014年1月至3月期间，某型船电力监控设备内的电源模块多次出现输入端“Uin+”烧毁现象，导致现场设备不能正常工作。

2 故障原因分析

选用朝阳电源模块制作得到的电源模块功率为150W，为单路24V输入、24V输出的DC/DC电源。实船工作时输出负载共两路，一路工作电流约为3A；另一路工作电流约为1A。

对故障电源模块进行检查，检查结果如下：

1）所有故障电源模块的输入端“Uin+”均有烧黑或烧毁现象，部分电源模块的输入端“Uin-”也有轻微烧黑现象，但朝阳电源均能正常工作。

2）电源模块的印刷电路板(PCB)上铜皮走线线宽均为1.5mm，铜皮为常规厚度35μm。

2.1 理论分析

设计电源模块的PCB时需重点考虑电源线上的温升。温升的计算依据采用的是IPC标准。计算公式为：

电源模块为外层PCB，则：

公式中，A为铜皮横截面积：

I为通过电源线上电流：

计算可得线路温升T约为11℃，实船中电源模块工作环境温度为30～40℃，如果仅考虑铜皮自身发热，那么温度在51℃，不足以烧黑甚至烧毁电路板，从而说明电路板的损坏是由于电源模块发热引起的。但是如果电源模块散热充分，是不会损坏电路板的，所以判断故障产生原因为电源模块工作时未得到充分散热。

电源模块工作时散热不充分使得热量逐渐积累，温度逐步上升，电路板上电源输入端受到电源模块发热以及铜皮自身发热的共同作用，使其温度叠加至最高，电路板则缓慢老化直至碳化，随着设备使用时间的增长，最终烧毁。

2.2 对比试验

为了验证上述分析，搭建试验平台来模拟实船使用环境。将电源模块直接置于自身导热性较差的复合板桌面上，电源模块带与实船中相同的负载工作，环境温度33℃，使用热成像仪观察并记录试验过程。

图1为电源模块带载工作的热成像图。图中标出了电源的24V+输入线路，其颜色深度代表线路发热程度；圆圈标注的“Uin+”为电源模块的输入端。

图1 电源模块带载通电

试验内容分成两部份，一部分是电源模块不带散热器即不能充分散热的工况，另一部分是带有散热器能够充分散热的工况。

1）电源模块不带散热器

电源模块在此状态下工作2h，拍摄热成像图，如图2所示。

图2 电源模块不带散热器带载工作2h的热成像图

记录2h后的电源模块中心温度、电源输入线路温度和Uin+温度如表1所示。可看出，不带散热器的电源模块工作2h后各个采样点的温度远高于环境温度。

表1 电源模块不带散热器带载工作温度

2）电源模块带有散热器

电源模块置于铝散热器上，其导热面直接接触散热器，工作时产生的热量迅速传递至散热器上使模块温度下降，图3为放置散热器上工作2h后的热成像图。

图3 电源模块带有散热器带载工作2h后的热成像图

电源模块带散热器后工作温度如表 2所示。可看出，带有散热器的电源模块工作2h后各个采样点的温度只是略高于环境温度。

表2 电源模块不带散热器带载工作温度

2.3 分析结论

1）电源模块带有散热器正常工作时，产生的大部分热量均通过散热器传递出去，电源模块的输入端(Uin+、Uin-)温度不会过高，也就不会导致上述故障现象。

2）电源模块不带散热器工作时，产生的大部分热量无法传递出去，使得输入端(Uin+、Uin-)温度较高；而电路板上电源输入线路铜皮也会发热，两者温度叠加造成输入端(Uin+、Uin-)温度继续升高，随着时间的累积，温度越来越高，最终导致输入端烧毁。

3）印刷电路板铜皮走线线宽较窄，成为发热源，从安全角度考虑需要进行加宽处理。

3 处理措施

1）重新设计电源模块的电路板。将电路板电源输入、输出线的铜皮宽度加宽，从而增大线路载流量，降低线路发热量；在电源模块工作温度较高的区域进行区域覆铜以及增加过孔，以利于散热。

2）提高电源模块的安装工艺。增加散热器，在电源模块的导热板与散热器之间涂装导热酯或加装导热橡胶，使导热板与散热器能良好接触，从而保证电源模块的良好散热。

4 试验验证

将经过处理的电源模块进行换装，并置于搭建试验环境中，带与实船中相同的负载工作，其他条件不变，工作2h，使用热成像仪观察并记录试验过程，得到热成像图像如图4所示。可看出，电源模块电路板的温度分布更加均匀，温度值也只是略高于环境温度。试验数据表明增加散热器以及加宽铜皮走线的电源模块散热能力得到增强，不会再出现过高的温度，从而避免了电源模块的损坏，验证了故障分析和故障处理措施的正确。

图4 经过处理的电源模块带载工作2h的热成像图

电源模块不同部位的温度值，如表3所示。

表3 经过处理的电源模块带载工作温度

5 结语

通过上述的故障分析与处理可知，电源走线的温升与线宽关系密切，可根据走线电流的要求，以及铜箔的发热要求，来确定导线线宽。

散热器的使用可解决电源模块严重发热的问题，可在一定程度上降低电源模块的温度，保证其在正常工作范围，这有效提高了电源模块的可靠性，延长了电源模块的寿命。

[1]侯雪川,周霞,艾多文.DC/DC电源模块失效案例分析[J].质量与可靠性,2011(6): 43-46.

[2]高峰鸽,宜键. PCB电源布线设计-印制导线温升与导线宽度和负载电流的关系[J].无线通信技术，2011(4): 52-56.

[3]舒浙伟,郭康贤,彭超.DC/DC电源模块散热器的设计及热分析[J].电子产品世界,2012(1): 55-57.

Analysis and Handling of Fault on Power Module of Shippower Monitoring Device

GU Xue-chen
(Shanghai Navy Commissary Dept,Shanghai 200011,China)

Taking the power module failure occuring in application as research background,combined with the actual conditions,the reasons for the fault are analyzed,and then,the treatment method is proposed.Finally,the platform for the power module is set up for contrast test.

fault analysis; power module; PCB line width; heat dissipation

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.016

顾雪晨，男，工程师。主要从事电气自动化专业。