开关电源模块故障分析及其设计优化

摘要：针对某开关电源模块发生输出滤波电容烧毁故障，本文通过实验及理论分析对其进行故障原因确定，同时对输出整流滤波电路的不同形式进行了评估对比，对原故障电源的设计进行优化。其中对快恢复二极管反向恢复特性进行了简要的阐述，针对快恢复二极管的特性进行了吸收网络的弥补。主要对并联RC吸收网络，与串联可饱和磁芯线圈进行了分析。

关键词：开关电源;整流滤波;RC吸收网络

1 试验

1.1外观检查

对失效的电源模块（old-1）样品烧毁的部位进行外观检查，除C8电容有明显烧毁迹象外并无其他明显缺陷，如下图1-1示。

1.2 元器件测试与分析

对电路元件进行检测、分析，根据该电源板卡的工作原理，对可能出现故障的元器件检测如下表1-1所示。

如上表1-1所示，所检测元器件参数均满足要求。

1.4电参数测试

对其更换电容后old-1样品与未更换电容old-2样品进行对比检测，在该电源模块的输入端施加220V的交流电压，在室温（26.3℃）条件下，应用高精度万用表测量其输出电压和输出纹波，测量结果如表1-2所示。

现场要求该电源模块输出电压的允许范围为13.5V～15.5V，因此，从测试结果分析，两个样品的输出电压均能满足现场要求。

2故障原因分析

检测结果分析：

1）对比各分立元器件的标称值和实测值，未发现异常，可排除被测元器件的问题;

2）检查电路连接情况，未烧毁部位的线路未出现短路、断路、焊接不良问题;烧毁部位的线路已经无法追踪短路、断路、焊接不良问题;

3）电容器C8是唯一烧毁的元器件;

4）分析电路原理图和板件实物，板件烧毁部位无功率元件，不存在电路工作发热问题。

根据现场运行工况，故障发生时，保护该电源模块的熔断器并未动作，且电源模块上的线路和其它元器件状态良好，因此，可以排除电路中出现过电应力的情况。根据现场工程师的反馈，从该电源模块投入运行以来，该电容的温度运行在正常范围内，因此，由温度导致的失效可能性也较小。

综上所述，该电源模块失效发展过程如下：

C8电容是输出整流二极管D2的高频振荡衰减网络，使输出的电流纹波降低。C8电容长期经受尖峰电流的冲击，在电应力作用下极易引起漏电流增大，耐压特性下降，容量减小，严重时甚至会出现银离子迁移，最终导致电容短路烧毁。

3 设计优化

3.1快恢复二极管反向恢复特性

快恢复二极管正在通过大的正向电流而突加反向电压时，反向阻断能力的恢复特性如图3-1所示。

（1）到t1瞬间电流过零，在载流子未消失之前，二极管未恢复阻断能力，流过反向恢复电流。

（2）在t2瞬间，电流达到最大反向恢复电流，二极管开始恢复阻断能力，开始承受反向电压。

（3）在t2瞬间之后，承受反向电压的能力迅速提高，反向恢复电流迅速下降，在电路电感中感性较高的电压，加上电源电压得到最大反向电压。

（4）到t3瞬间，反相电流减小到最大反向电流的  。

3.2并联RC吸收网络

为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在二极管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的（变压器漏感或负载电感），所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏二极管。同时，避免电容器通过二极管放电电流过大，造成过电流而损坏二极管。

由于二极管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。

3.3 串接可饱和线圈磁芯线圈

在二次整流回路中，在整流二极管的支路中串接带可饱和磁芯的线圈，可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，不会影响电路正常工作，一旦电流要反向流过时，磁芯线圈将产生很大的反电势，阻止反相电流的增大，因此将它与二极管串联就能有效地抑制二极管的反相浪涌电流。目前已有超小型磁环成品，可以直接套在二极管的正极引线上，使用方便。

4 结论

该电源模块上电容烧毁最可能的失效原因为电源设计上存在缺陷，在长期电应力的作用下，导致其发生击穿烧毁。

该电源模块现有输出整流电路如图3-1，C8电容直接并联于二极管D2上，当开关闭合瞬间L1电感的电压反向，瞬态高压作用于二极管负极，此浪涌电流通过C8进行泄放，C8长期处于大电流工作状态。在长期电应力的作用下，导致其发生击穿烧毁。

目前业界采用的输出整流部分有多种形式，较为简单方便的为并联RC吸收网络，如图3-2，在其C8电容处串联一个电阻，抑制流过C8电容的浪涌电流，可大大提升C8电容的使用寿命。也可以在二极管处串联可饱和磁芯线圈。也可以达到同样的目的。

参考文献

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作者简介：费波涛（1982-），男，湖北仙桃人，实验师，主要从事电子线路教学研究。