基于瞬态信号分析的电源模块故障模式识别∗

高会壮 徐 昕 王长鑫 武荣荣 胡迎茜

（1.航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）（2.工信部电子科技委 北京 100036）（3.中国航天科工集团第二研究院 北京 100854）

1 引言

直流变换（DC-DC）电源模块是电子系统的电源供应器，有升压和降压两种，可以为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）及其他数字或模拟负载供电。随着集成电路技术的发展，以DC-DC 转换器为主体的开关电源以转换率高、重量轻、体积小等优势逐步取代了传统的线性电源，是电源系统的关键部分，其可靠性将直接决定电源系统的可靠应用［1～2］。

在设备实际应用环境中，会遇到温度应力、机械应力、电应力等多种环境应力影响，电源模块装机应用前开展的测试筛选试验不足以解决使用中的退化问题［3］，对于一些较为极端的应用环境更是如此。环境应力对DC-DC 电源模块正常工作带来威胁，导致其性能随工作时间增加逐步退化，比如在振动应力的作用下，基板受力不均，MOS管、二极管等表贴器件会产生破裂，导致故障［4～5］；还有电应力可能造成器件瞬间击穿等失效情况，对于铝电解电容，外部温度上升会导致电容量减小、等效串联电阻ESR 增大，导致滤波性能减弱，对DC-DC 电源模块输出电压纹波的影响很大［6］。此外，光耦、PWM 芯片、储能电感和表面贴膜电阻等也易引起失效［7］。这些故障情况对设备的正常工作状态影响非常大，所以开展针对电源模块的故障研究具有重要意义。

2 电源模块的瞬态响应特征

当在电源模块输入和输出施加电应力信号（电压脉冲或电流脉冲）时，电源模块的输出波形将产生特定变化。当工作条件和环境发生改变，模块中的反馈回路可以提供一个修正量，使模块保持输出电压稳定［8］。当输入级电压发生阶跃变化时，调整输出电压处于稳定状态的关键器件包括反馈回路与输出端电感、电容。图1 分别为输入电压和输出端电流发生突变时的系统框图。

图1 电源模块瞬态响应分析框图

图1（a）输出电压为

其中T(s)为环路传递函数，Zin为输入阻抗。

图1（b）输出电压为

则输出电压变化量为

其中T(s)为系统传递函数，Zout为输入阻抗。

典型DC-DC电路传递函数如下：

其中Gvd(s)为控制-输出传递函数，里面包含输出级电感与电容等参数；GM(s)为PWM 传递函数，是输出电压幅值；CTR 是光耦电流传输比；K 为误差放大电路传递函数，为无量纲常数。各参量具体表示如下：

其中Vm为PWM 锯齿波的电压幅值，L，C，R 为输入、输出级电感、电容、电阻。

为分析各器件与输出的关系，简化电路，去掉输入级电感和电容，可得：

其中Vin为电源输入端电压。输出阻抗Z(s)为

其中L，C，R为输出级电感、电容、电阻。

带入后得到：

根据拉氏变换，可以得到CTR∝，由于周期T==N，所以CTR∝N2。

由此，可以看出输入级电压突变对输出电压产生的影响与输入输出级电阻、电容、电感有关，同时与反馈电路中的光电耦合器CTR 有关。输出级电流突变对输出电压的影响主要与输出级电阻、电感、电容以及反馈回路的光电耦合器CTR有关。

3 典型电源模块仿真电路搭建

DC-DC 电源模块电路内部结构主要包含输入滤波电路，功率开关管，脉宽调制器（PWM），变压器，反馈回路中的光耦，输出端的整流滤波电路，续流二极管与稳压二极管。PWM 信号发生器基本电路为方波发生电路与RC 积分器和反馈信号，经过一个比较器产生PWM 控制信号，如图2 所示。PWM输入与输出信号波形时序图如图3。

图2 PWM信号发生电路

图3 PWM发生器输入和输出信号时序图

本文研究对象为降压型DC-DC 电源模块，根据开关电源架构［12］，设计一个具有光耦反馈的DC-DC 电路，利用一个方波发生器和RC 积分器与输出端的反馈信号，通过一个比较器产生PWM 控制信号，控制MOS 管通断，实现电压的改变。输出级利用一个分压电阻取得信号，通过信号放大器和光耦传回到PWM电路进行综合［10］。搭建的仿真电路参数具体为输入电源与电压基准为30V，脉冲电源的脉冲宽度和周期均为50μs，输出电压波形在9ms处达到稳定状态，输出电压稳定为5.86V。

4 测试信号分析

4.1 测试信号类型

4.1.1 输入端脉冲电压测试信号

测试条件包括测试输入信号的具体特征以及施加方式。首先采用简单的Buck 电路［9］进行仿真确定测试信号特征，电路参数设置描述为正常工作时，启动后在4ms 时输出电压达到平稳；输入电源采用电压信号源，初始电压100V，在6ms 位置以0.5ns 上升到120V，维持5ms 随后以50ns 下降到100V；电路的占空比为0.5。仿真结果如图4所示。

图4 电压脉冲测试输出波形

从波形可得出，对于占空比恒定的无反馈DC-DC 电路，整个系统为二阶系统，在输入电压改变后，输出会出现阻尼振动特性波形。说明输入测试信号需要在保持DC-DC 电源模块正常工作状态下，叠加一个脉冲信号，查看输出波形在脉冲加入状态下的调节过程。

4.1.2 输出端脉冲电流测试信号

设计脉冲电流发生电路，在电源模块输出端施加一个电流脉冲，引起输出电压产生阻尼振动特性波形。仿真电路波形如图5 所示，电路参数设置描述如下：在正常输出状态下，4ms 时输出电压达到平稳。测试信号利用脉冲电流源，在电路启动后6ms 给1μs 上升到4A 的电流，维持6ms 随后以1μs下降到0A。

图5 电流脉冲测试输出波形

从波形可以看出，在输出端施加一个电流脉冲，将使输出电压产生变化，在电感L 和电容C 的作用下产生阻尼振动，最后稳定在原来的输出电压值。设计脉冲电流输出电路，实现对DC-DC 电路脉冲电流测试信号注入。

4.1.3 输入直流测试信号

MOS管的故障状态一般包括短路、开路与漏源电阻增大。通过直流状态信号检测可以得到MOS管的工作状态。

4.2 测试信号参数分析

4.2.1 输入端脉冲电压测试信号

1）降压型DC-DC电路

利用典型Buck 电路对测试信号具体参数进行分析。输入电压从50V～150V，每隔10V 取一个值，在DC-DC 电路输出平稳后的6ms 时加入电压脉冲信号，输出波形具体数据如表1。

表1 输入电压脉冲下输出波形信息

其中：dV=|V2−V3|，dt=|t幅值−6|，dτ=|t平稳−6|。

当输入信号电压从100V 变为120V，上升时间分别从10ns 到100ns 间隔10ns 变化，与从100ns 到2μs 间隔100ns 变化，开展仿真分析。结果表明当脉冲上升时间相差不大时，整体波形状态及输出变化较小。

2）升压型DC-DC电路

选择简单的boost电路进行分析。电路的占空比D=50%，所以输出电压为输入电压的两倍。通过设置电压脉冲在5ms时变化，幅值为30V到40V间隔2V，上升时间与下降时间为50ns，脉冲宽度为50μs。

输入脉冲电压从60V～70V，每隔2V 变化，波形如图6，当测试脉冲电压为负时如图7。在电压脉冲的作用下，输出波形出现一个小脉冲，不同输入脉冲电压对幅度有影响。

图6 电压脉冲为正输出波形

图7 电压脉冲为负输出波形

对比分析两种常见的DC-DC 电路，测试电压脉冲信号在DC-DC 电路工作稳定时进行叠加输入。根据不同电源模块的输入与输出区别，利用可调脉冲源进行信号注入，选择合适的输出电压脉冲幅值与脉冲宽度进行分析。针对一般DC-DC电源模块选择能产生5V 脉冲源即可满足要求，脉冲上升时间为μs 级，通过调节占空比可实现脉冲宽度μs 级可调。输出波形方面，对于降压电路，输出产生振荡波形，可观测特征为振荡次数和振荡幅度以及振荡时间；对于升压电路，输出产生突变波形，为单一方向，可观测特征为幅值和调整时间。

4.2.2 输出端电流测试信号

1）降压型DC-DC电路

利用PSpice 中电流信号源为电路施加信号激励，输入电压为100V，占空比D=50%，电流脉冲为脉冲宽度50μs，幅度1A～5A，间隔1A。根据输出波形，知5V 电流可以满足测试要求，并且电流越大，振荡幅度越大，振荡次数不变。当脉冲电流幅值一定，脉冲宽度变化时波形结果如图8。

图8 脉冲电流幅值一定脉冲宽度变化时输出波形

通过波形判断，500μs 以上波形都在第一个上升波形处发生弯折，这对于实际电路可能会发生干扰，对输出结果检测产生影响。为了输出信号明显，且将幅度控制在一定范围内，选择300μs 的波形比较合适。在实际测试时，需要考虑采用LC 滤波电路以降低输出纹波。对于简单电路输入电流0A～5A，脉冲宽度控制在500μs 以内可满足测试要求。

2）升压型DC-DC电路

与降压型电路类似，设计仿真电路为输入电压40V，占空比D=50%，电流脉冲为脉冲宽度50μs，幅度1A～5A，间隔1A，幅值改变量与输出脉冲幅值关系如图9所示。

图9 Boost电路输出端电流脉冲测试数据条形图

分析仿真结果，在电流为1A～2A 即可满足测试需求，如电压幅值变化过大，将干扰输入与输出波形对比分析，同时可能对器件造成损伤。设置脉冲幅值1A 固定，脉冲宽度为扫描参数，从100μs～500μs每隔100μs进行仿真，波形整体差距不大，对调节时间影响结果较小，故脉冲宽度可以取值500μs 以内。脉冲电流测试信号可以在输出波形上产生类似输入电压脉冲信号的扰动，通过检测波形特征，可以判断对应器件的退化状态。

4.2.3 输入直流测试信号

对于MOS 管直流信号测试条件，只需施加DC-DC 电源模块正常工作电压，检测关于MOS 管流过的电流或者两端电压即可得到所需特征参数。

5 电路仿真与故障识别

5.1 测试信号响应分析

不同DC-DC 电源内部的输出电感、输出电容、MOS管、整流续流二极管和光耦这几个主要部件功能类似，可利用本文前面章节建立的仿真电路来分析得到通用的数据关系。根据电源模块薄弱环节的相关研究成果，关键器件确定为MOS 管、输出电感、输出电容、二极管和光电耦合器［11］。

5.1.1 输入端脉冲电压测试

设置仿真电路参数为向下脉冲8V，脉冲宽度500μs。可得到如图10输出结果。

图10 输入端电压脉冲测试输出波形

图11 续流二极管短路输出波形

设置扫描参数为输出电感的L 值，正常值为10mH，幅值为0.27V，振荡个数N为1。在正常值基础上分为四个模式，针对该电路设定正常输出电压为VOUT±0.01V，本文仿真电路输出值为5.87V。仿真结果表示：当L 降为1mH 时，输出纹波已经超出0.1V，且输出电压无法保持正常稳定输出。当电感断路，则输出为0；短路，则纹波更大。综上，输出电感对电路的影响主要体现在输出纹波大小，从检测输出纹波情况可考察输出电感的工作状态。

光耦的CTR（电流传输比），仿真电路中光耦CTR 默认为1。随着时间的推移，光耦将出现退化导致CTR 值减小，设置CTR 从0.10 到1.00 进行变化，得到如表2 所示仿真结果。表明随着CTR 变小，输出电压减小，振荡次数减小，当CTR=0.2 时，电压减小约0.9V。

表2 电压脉冲条件下CTR变化对输出波形的影响

对于输出端续流二极管短路输出波形如图。如果续流二极管断路，则没有输出。

图12 显示稳压二极管短路时输出波形，断路时结果如图13。

图12 稳压二极管短路

图13 稳压二极管断路

对比后发现稳压管短路后，输出波形一直在0V波动，而续流管短路则比较平稳。

综合以上分析，得到结论：输入端电压脉冲可测试输出端电容值变化；测试纹波电压可以对输出端电感值进行检测；同时输出电压波形纹波电压可表征MOS管状态。

5.1.2 输出端脉冲电流测试

设置仿真电路中输出端脉冲电流参数为向下脉冲500mA，初始电流为0，脉冲宽度100μs。设置扫描参数为输出电感的L 值，正常值为10mH，得到输出波形幅值为1.904V，振荡个数为2。结果表明输出端施加电流脉冲情况下，输出电感L 值对输出振荡信号个数无影响。如果输出电感断路则输出为0，在输出端产生峰值为3.081V的向上尖峰。

对于光电耦合器，将CTR设置为从默认值逐渐减小时，输出波形的阻尼振动个数逐渐减少。续流二极管和齐纳二极管故障都会导致输出电压为0V，并在脉冲电流输入端产生振荡或尖峰。

根据仿真结果，输出端施加电流脉冲可以准确反映光电耦合器CTR的值，并且还可以测试二极管的状态。输出波形的阻尼振动主要反映反馈回路和输出滤波电路的性能，所以输出端电流脉冲也可用于电感和电容的状态测试。

5.1.3 输入端直流测试

直流电源可以直接检测DC-DC 电源模块输出是否符合标准。MOS管的导通电阻增加，会造成输出电压降低。MOS 管断路则输出为0，导通电阻增大会导致输出电压减小。

5.2 基于波形分析的故障诊断

通过前面定量分析确定在测试中使用的测试信号和检测的输出数据，现进行定量分析。主要测试信号为输出端电流脉冲信号与直流电压信号。对于简单的DC-DC 变换电路可采用曲线拟合方法来研究退化器件参数与输出波形的关系。由于电路内部结构相对简单，通路之间的数学关系比较明确，可以直接拟合出相关性高的曲线和数学模型。

5.2.1 光耦

一般规定半导体光电耦合器的CTR 不得低于额定值的20%。设置仿真电路的光耦CTR 额定值为1.5，结果表明当CTR 为0 时，输出电压降为4.44V，N 为1。随着CTR 的减小，振荡次数减小，与瞬态分析得到的CTR ∝N2结果趋势一致。当振荡次数为3 以下时，表明该电路的光耦CTR 已经低于0.8，小于额定值的20%，电路已经处于失效状态。

5.2.2 MOS管

设置MOS 管分别处于三种故障模式：Rd（on）增大、击穿开路以及短路。仿真电路采用IRF150型NMOS管，模型中给定的Rd为1.031mΩ，随着Rd的增大，将造成电路最终失效。设置Rd 从0.001Ω～3Ω变化，利用直流电压测试方法，结果表明输出电压从4.94V 减小到0.03V。拟合得到VOUT=4.5683e-2.029Rd，R2=0.9944，发现随着Rd 的减小，输出电压VOUT成指数减小。若MOS管为断路或短路，则电路无输出。

5.2.3 二极管

仿真结果表明续流二极管开路或短路后电路输出电压为0V，当注入电流脉冲时，二极管短路造成输出产生阻尼振动，在开路状态下产生脉冲尖峰。针对稳压二极管，当注入电流脉冲时，短路状态下输出会出现阻尼振动，与短路状态下的续流二极管波形不同，在电路初始阶段无输出。在开路状态下，结果显示输出略大于0V，并伴随脉冲尖峰。

6 结语

本文针对DC-DC 电源模块故障模式开展了分析，建立了DC-DC 电源模块瞬态响应传递函数的方框图，经过分析计算，得出特定脉冲测试信号对输出电压的影响情况。基于瞬态响应分析，利用PSpice 搭建仿真电路，并完成特征信号参数研究。同时搭建了DC-DC 电源模块仿真电路，设置具体测试信号，检测并分析输出波形，实现了在模块内部不同组成元器件故障状态下的具体故障识别。