基于噪声测量技术的开关电源故障诊断方法研究*

王元月，赖其涛

（1.绍兴职业技术学院机电工程学院，湖南绍兴312000；2.绍兴职业技术学院信息工程学院，湖南绍兴312000）

基于噪声测量技术的开关电源故障诊断方法研究*

王元月1*，赖其涛2

（1.绍兴职业技术学院机电工程学院，湖南绍兴312000；2.绍兴职业技术学院信息工程学院，湖南绍兴312000）

针对开关电源的功率器件MOS管工作在高功率大电流下易损坏，导致开关电源故障率高的问题，提出了一种利用噪声测量技术来判断其工作状态的故障诊断新方法。建立了功率MOS器件的噪声模型，设计了超低噪声前置低频放大器，对伊莱科S-15-12型开关电源测试，结果表明，该方法能够测量到开关电源的低频噪声并准确判断其工作状态，且在准确率上较传统方法提高了65%，为开关电源故障诊断提供了一种有效的方法。

开关电源；MOS器件；故障诊断；低频噪声

开关电源是以PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET二者构成并集成在一块芯片上，利用PWM技术，控制开关管的开关时间比率，保持稳定输出电压的一种电源。功率开关管MOSFET作为开关电源的核心部件在电路中承担不可替代的作用。然而，由于功率MOSFET在高功率、大电流且快速开关的工作状态下，其导通电阻迅速增大，使得功率MOSFET管产生电导调制效应，导致开关电源由于功率MOSFET软击穿而使得其无法正常工作［1］。因此，其可靠性是保证开关电源有稳定的电压输出的关键。

正因为开关电源被广泛应用，同时对应用电路的维修与维护提出了更高的要求。针对以上问题，本文提出了一种基于噪声测量技术的故障诊断方法，通过对开关电源工作原理的分析，建立功率MOSFET的噪声模型［2］，并设计了用于开关电源噪声检测的噪声测量系统，实验表明，该方法能够准确地测量到开关电源的噪声并且利用其噪声功率谱对其进行故障诊断，进而为实现对开关电源故障的早期故障预警提供一种可靠的方法。此种方法应用直观、快捷、诊断时间短，电路易恢复，并且适合用于大多数种类的开关电源的维修与维护。

项目来源：浙江省教育厅科研项目Y201534925

收稿日期：2015-08-25修改日期：2015-09-18

1　开关电源的基本原理及退化过程

开关电源的系统框图及各部分组成如图1所示。

图1　开关电源的系统框图

图2为单片开关电源电路图，当输入直流电压220 V经过变压器T1的初级加到场效应管Q2时，Q2控制极g若出现高电平，则Q2的源极s和漏极d就导通，即T1变压器的初级就有电流通过，变压器就有磁能被储存。当Q2的控制极g为低电平时，场效应管的源极s和漏极d就断开，这时由于变压器储存了磁能，就通过次极绕组的同名端经过D2二极管整流后，再经过L1、C3滤波对外输出直流电压为恒定12 V。由于Q2在关断时，有高频变压器漏感产生的尖峰电压，与输入电压和感应电压个量叠加共同作用在Q2上，因漏极电压过高超过了它本身所能承受的极限值，使场效应管损坏，为此在初级绕组两端必须加钳位电路进行保护。

图2　单片开关电源的电路原理图

开关电源的故障从故障发生的时间历程可分为两类，分别为突发性故障和渐进性故障［3］。突发性故障是由于系统外部原因对系统冲击造成的，它在发生前所表现的征兆是不明显、缺乏确定性，不易监测；渐进性故障是由于系统参数的逐步退化引起的，这种故障能够进行预测，在正常使用条件下，一般在开关电源有效寿命的后期表现出来。本文主要研究开关电源的渐进性故障。

渐进性故障是耗损性的，通常是由于元件耗损或缺陷不断发展所导致的，随着工作时间的增加，开关电源及其元件的性能不断退化，导致开关电源的可靠性低。开关电源的故障规律表现为浴盆曲线，如图3所示，依据状态信息及故障信息对开关电源运行状况进行可靠性评估，给定某种控制阈值，若达到阈值则发出故障警告，采取相应的预防性维修措施，否则继续工作，同时，如果运行过程中出现故障［4］。则立即进行维修，维修后系统如新，状态恢复到初始状态。

图3　可靠性浴盆曲线

2　噪声测量系统设计及建模

针对单片开关电源的低频噪声测量系统如图4所示，系统采用精密半导体参数测试仪 Agilent 4156C作为直流电压源通过低通滤波器给待测设备（DUT）提供偏置，采用SR570低噪声前置放大器对噪声信号放大，且通过其内部电源为被测CMOS反相器提供漏极偏压，反相器源极接地，最后采用Agilent 35670A动态信号分析仪对放大后的噪声信号进行快速傅里叶变换FFT，得到噪声功率谱密度［5］。

图4　单片开关电源的低频噪声测量系统

功率MOS器件是一种表面效应器件，表面载流子涨落是其1/f噪声的主导结构。在多数情况下，1/f噪声是由于OMTC（Oxidizing Material Trap Charges）中的载流子数波动引起的，而且沟道内迁移率升降对其也有很大的影响［6］。其低频噪声通常表现为1/f噪声、g-r噪声、白噪声等的叠加，式（1）为它的功率谱密度［7］。

式中：A是白噪声值；B是1/f噪声幅值；α为1的常数；Ci表示g-r噪声的幅度；foi为第i个g-r噪声的转折频率；N为g-r噪声的量度。因而，功率MOS管能否正常工作，可通过其1/f噪声表现来判断，功率MOS器件的1/f噪声特征如图5所示。

图5　功率MOS器件的1/f噪声特征

3　低噪声前置放大器设计

根据测试要求，本文设计的放大器所遵循的原则为：首先要选择等效输入端噪声电压En和电流In尽量小的低噪声器件，同时要考虑到信号源（这里是被测噪声源）的噪声匹配，即最佳源阻抗应与信号源阻抗的匹配。从而保证前置级工作在最小噪声状态；其次，根据非噪声质量指标水平来对放大链后级进行设计，即根据一般增益情况和整体性能的要求来决定采取的放大形式和链长等［8］。

根据弗里斯（Friis）公式：

可知，在整个放大电路中，首级放大电路对噪声系数的影响是最大的，所以输入级的噪声性能设计得好，则整个放大器的性能就会提升［9］。为了降低放大器背景噪声，输入级电路要具有较大的开环电压增益和短路电流增益，因此，本文前置放大器选取共射组态［5］。

在低噪声设计中，为减小从放大电路引入器件噪声，避免其对DUT的噪声信号产生影响，需要精心选择放大电路的元器件，采用蓄电池供电，并且各器件及连接导线接头的焊点力求表面光滑，无尖角及突起，应在外面刷绝缘漆进行密封保护，以减少从焊点引入的外部噪声影响。电阻用线绕电阻器，使其最大化降低噪声［10］。

当DUT的阻抗较低时，BJT常应用在放大器的输入级，这是因为相对于其他器件，它具有较低的等效输入电压噪声。但是当DUT的阻抗高于100欧姆时，JFET常应用在放大器的输入级，由于采用互功率谱测量方法可以有效的消除放大器的等效输入电压噪声，为提高设计的应用范围，本文中选用JFET组成的差分电路作为输入级我们采用TOSHIBA公司生产的2SK170组成差分电路，2SK170（en=0.95 nV/Hz，f=1 kHz），VG（Soff）电压范围是-1.5 V～-0.2 V，IGSS最大为1 nA。第二级采用了TI公司生产的INA114，它可以根据需要进行不同放大倍数的设定，可供选择的放大倍数为1～10 000，为方便计算我们采用了3个典型值：100倍、1 000倍、10 000倍。具体电路图设计如图6所示。

图6　前置放大器电路原理图

4　测试结果

在低频噪声测量领域，放大器的等效输入噪声EIVN（The Equivalent Input Voltage Noise）是衡量放大器性能的重要指标［11］，所以，要进行快速、准确的测量，首先对低噪声前置放大器的性能进行验证实验。经测试，该放大器与锁相放大器和PE15A相比，其噪声性能明显好于二者。证明该放大器在实现对低频噪声测量并将该小信号放大上，存在着性能上的显著优势。其EIVN谱情况如图7所示。

图7　前置放大器的EVIN对比图

利用前文所提方法，对一台伊莱科S-15-12型单片开关电源进行多次低频噪声测试，测试结果如表1所示。

由测试结果可以看出，其噪声谱表现出随着频率的增加幅值减小的特性，因此可判定本次的实验的单片开关电源的噪声谱主要表现为1/f噪声，同时，由测试08、13、19可以看出，其中也含有部分的g-r噪声，这表明了单片开关电源内部存在潜在故障隐患，这表现出的是一种渐进性故障，并且由测试数据计算电流传输比可知，该单片开关电源的可靠性较低［12］，在恶劣的点环境下易出现故障，导致整机瘫痪，不能正常工作。所以在工作的过程中要监测上述关键参数来保证开关电源工作在正常状态下。

表1　低频噪声功率谱测试结果

5　结论

本文提出了一种针对单片开关电源的低频噪声测量故障诊断方法。分析了单片开关电源的工作原理及失效退化过程，设计了低频噪声测量系统，并且建立了功率MOS器件的噪声模型。提出了一种文中所提的低噪声前置放大器性能优异，可满足对单片开关电源低频噪声测量的需要。实验结果表明，基于噪声测量技术的开关电源故障诊断方法准确地提取到噪声数据，较传统方法提高了65%，为开关电源的可靠性评估及故障诊断提供了一种可行及有效的手段。

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王元月（1977-），女，汉族，贵州毕节，硕士，讲师，主要研究领域为电源技术，wangyuanyue1106@163.com。

Research of Switch Power Supply Fault Diagnosis Method Based on Noise Measurement Technology*

WANG Yuanyue1*，LAI Qitao2
（1.Mechanical&Electrical Engineering College，Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing Hu'nan 312000，China；2.College of Information Engineering，Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing Hu'nan 312000，China）

The MOS devices，as a core of the switching power supply，working in high power electromagnetic flow is easy to be damaged，which can make the switching power supply work anormally，the problem of a proposed noise measuring technology of high failure rate is used to judge the working condition.This new method of fault diagnosis established a power MOS device noise model，designed the low noise front low frequency amplifier，and tested S-15-12 of Ilecco type switching power supply.The results show that the method can measure the low frequency noise of switching power supply and accurately determine its working status，and increase 65%than the traditional methods on accuracy.The typical fault diagnosis method of switching power supply provides a feasible and effective evaluation method.

switching power supply；MOS device；fault diagnosis；low frequency noise

TN36；TN386.1

A

1005-9490（2016）03-0723-05

EEACC：6230；814010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.043