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2018-10-15

开关电源应用常见故障原因分析

  小功率电源被广泛地应用于电子电气行业,在应用的过程中也时常出现一些电源故障,如启机不良、输出电压偏低、模块过热等问题,针对这些电源供电故障现象,如何定位背后的问题?本文将一一为您揭晓。
  
  目前,市场上电源模块种类繁多,不同电源产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同,其特点都是为微控制器、集成电路、数字信号处理器、模拟电路、及其他数字或模拟等负载供电。电源模块的可靠性比较高,但也可能会发生故障,下面以ZLG致远电子的DC-DC电源为例分析几种常见的电源故障。
  
  输出电压偏低
  
  电源输出电压过低,会让后级电路无法正常工作,如在微控制器系统中,负载突然增大,会拉低微控制器的供电电压,而造成微控制器复位,这会对整个系统级的电路带来毁灭性的打击,会造成一子落错全盘毁的连锁式反应。输出电压过低通常是由那些原因造成的呢?
  
  输出级并联多个负载,在正常工作后,有负载需要较大的瞬态电流,造成电压被瞬间拉低,从而影响其它并联的负载;
  
  输出线路过长或过细,造成线损过大,从而在线路间产生了不小的压降,最终导致电源模块的输出电压到真正的负载两端时,电压偏低;
  
  防反接二极管的压降过大,一般二极管的正向压降在0.2~0.6V之间,如果电源模块输出的是5V电压,那么高导通压降的二极管所产生的电压降就会使后级电路的电压偏低,从而不能正常工作;
  
  模块外围电路中的输入滤波电感过大,导致内阻变大,电流扼制作用增强,当后级负载突然变重时,电流供应不上而导致负载两端的电压偏低。
  
  输入电压偏高
  
  由于某些电源模块内部的电子元器件的电压余量设计不够,在输入电压过高时,造成模块损坏,甚至烧毁,这是就需要我们在外围做一些保护,哪些常见原因易造成输入电压偏高呢?
  
  在电源模块输入端进行热插拔上电,此时其电压尖峰及浪涌电流都较高,抗压差的模块会被瞬间击穿损坏;
  
  输出端负载过轻,轻于10%的额定负载,对一些非线性稳压的电源产品来说,模块不一定会损坏,但会影响后级的一些性能,如效率偏低,模块偏热等;
  
  前级供电电源的电压冲击导致输入电压偏高或产生干扰电压,电磁兼容也较容易造成输入电压高,如雷击浪涌、群脉冲。
  
  
  模块发热严重
  
  电源模块在电压转换过程中有能量损耗,产生热能导致模块发热,降低电源的转换效率,影响电源模块正常工作,但什么情况下会造成电源模块发热较严重呢?
  
  使用的是线性电源模块,由于线性电源内部的电路结构使得其功率导通压降大,在相同的输出功率下,线性电源模块内部产生的损耗更大;
  
  负载过流,超出数据手册应用范围使得内部关键器件温度飙升;
  
  环境温度过高或散热不良;
  
  其他大发热源热传递。
  
  热成像仪观测发热电源模块E7805OS-500在标称电压下的温度分布,如下图所示:
  
 
  
  输出噪声较大
  
  噪声是衡量电源模块优劣的一大关键指标,在应用电路中,模块周边元器件的设计布局等也会影响输出噪声,哪些因素对输出噪声有较大影响呢?
  
  电源模块与主电路噪声敏感元件距离过近;
  
  主电路噪声敏感元件的电源输入端处未接去耦电容;
  
  多路系统中各单路输出的电源模块之间产生差频干扰;
  
  地线处理不合理;
  
  电源模块输入端的噪声过大,未处理,直接耦合到电源模块输出端;
  
  ZDS2024示波器测试对比模块受到干扰与未被干扰的电源模块输出纹波噪声,对比下图如图所示:
  
  未受外界干扰的纹波噪声,Vz=104mV
  
  未受外界干扰的纹波噪声,Vz=734mV
  
 
  电源模块启动困难
  
  在电源的应用电路中,经常会出现电源模块输出端电压不正常,输出端就是没有任何输出,电源模块也无损坏,是什么原因呢?或许是电源模块本身就无法启动?
  
  外接电容过大(即容性负载过大),需要充电的时间变长,有些电源模块在规定时间内不能建立好输出电压,就会进入过流保护,从而模块无输出;
  
  电子负载在CC模式下也会造成部分启动能力弱的电源模块启机不良,由于在CC模式下启机的时候,其模拟的负载趋近于零,且反应调节时间相对较长,绝大多数的电源模块应用的环境属于纯电阻模式;
  
  负载需要的电流过大,而电源模块单位输出的最大平均电流不够导致模块无法启动;
  
  输入线路过长,使得线路之间产生的压降过大,而导致输入电压低于模块输入电压的下限要求。
  
  
  耐压不良
  
  一般隔离电源模块的耐压值可高达几千伏,但在应用电路中,哪些因素会导致其耐压能力降低?
  
  选用的模块隔离电压值不够,往往是应用工程师评估的耐压值比在实际应用环境下的耐压值低造成的;
  
  维修中多次使用回流焊、热风枪;
  
  外围电路布线与器件放置时未按安规相关的爬电距离来要求,也会造成耐压不良。
  
  用耐压仪测试电源模块隔离电压的方法如下图所示:
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