0  引 言

　　DC/ DC 電源" title="電源">電源模塊" title="模塊">模塊（ 以下簡(jiǎn)稱模塊）,，是一種運(yùn)用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)DC/ DC 功率變換的開關(guān)電源,。

　　它廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī),、辦公自動(dòng)化設(shè)備,、工業(yè)儀器儀表,、軍事、航天等領(lǐng)域,， 涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè),， 并在遠(yuǎn)程和數(shù)字通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,， 開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,， 所工作的環(huán)境也越來越惡劣， 統(tǒng)計(jì)資料表明,， 電子元器件溫度每升高2℃,， 可靠性下降10% , 溫升為50℃時(shí)的壽命只有溫升25 ℃時(shí)的1/ 6。本文所研究的電源模塊是中電集團(tuán)第四十三所研制的廣泛用于軍工的一款高性能DC/ DC 電源模塊,。與Interpoint 的MHF2815S+ 相比,， 具有輸出效率高， 產(chǎn)生熱量少,， 抗浪涌能力高等優(yōu)點(diǎn),。

　　在DC/ DC 電源模塊電源結(jié)構(gòu)中主要的元器件有：

　　脈寬調(diào)制器（ 控制轉(zhuǎn)換效率） 、光電耦合器（ 輸入與輸出隔離,， 避免前后級(jí)干擾,， 并傳遞取樣信息給PWM, 保持輸出電壓的穩(wěn)定） 、VDMOS（ 功率轉(zhuǎn)換部件,， 利用其良好的開關(guān)特性提高轉(zhuǎn)換效率） 和肖特基二極管（ 整流以及濾波,， 是功率輸出的主要部件）。

　　1  電源模塊輸出電壓與工作溫度的關(guān)系

　　為了摸清電源模塊電學(xué)參數(shù)隨溫度變化的情況,， 首先對(duì)電源模塊整體進(jìn)行加熱,， 測(cè)試其輸入電流、輸出電流,、輸出電壓（ Vout ） 電學(xué)參數(shù),， 試驗(yàn)條件： 保持輸入電壓28 V， 輸出負(fù)載15Ω  ,，輸出電流1 A,；測(cè)試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現(xiàn)模塊的輸出電壓有較明顯的下降,， 輸入電流,， 輸出電流的變化趨勢(shì)不是很明顯， 其變化趨勢(shì)是伴隨著溫度的升高,， 電源模塊的電壓逐漸減小,， 而且趨勢(shì)非常明顯， 從圖1 中可見,， 加熱溫度在50  ℃ ,，V out 為14. 98 V; 溫度為142 ℃ 時(shí),， Vout 降為14. 90 V。此外,， 因?yàn)槟K的效率是其性能的重要指標(biāo),，當(dāng)效率下降到一定數(shù)值， 模塊也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生熱量過多而失效" title="失效">失效,。,， 為此計(jì)算了該試驗(yàn)條件下模塊效率隨溫度的變化， 從圖2 可見模塊的效率,， 隨著溫度的升高,， 變化趨勢(shì)更加明顯， 開始較為緩慢,， 隨著溫度的升高而逐漸加快,，呈現(xiàn)玻爾茲曼指數(shù)分布。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升到150  ℃ ,， 模塊輸出電壓為零,。

　　為了尋找導(dǎo)致電源模塊的輸出電壓隨溫度升高而明顯下降的主要元器件， 根據(jù)模塊的電路,， 選擇相應(yīng)的元件搭建電路,， 該電路經(jīng)過測(cè)試可以完成模塊的所有功能， 同時(shí)因?yàn)榉羌苫?可以對(duì)其元件單獨(dú)測(cè)試,， 避免了集成元件因尺寸太小而難以測(cè)試的條件,。下面對(duì)電源模塊中的重要的元件單獨(dú)加熱， 測(cè)試其電參數(shù)隨溫度的變化,， 同時(shí)測(cè)試電路V ou t 的變化,。

圖1 電源模塊Vout 與溫度T 的關(guān)系。

圖2 電源模塊效率η 與溫度T 的關(guān)系,。

　　2  元件溫度性能對(duì)模塊溫度特性的影響

　　2. 1  變壓器

　　變壓器在中不僅能傳遞能量,， 同時(shí)還起到了電氣隔離的作用， 變壓器的原邊與副邊線圈匝數(shù)比的不同可以達(dá)到升壓或降壓的作用,。在模塊工作狀態(tài)下,， 由于磁芯的渦流效應(yīng),， 變壓器會(huì)產(chǎn)生很多的熱量,， 成為模塊熱量產(chǎn)生的主要來源。實(shí)驗(yàn)中首先測(cè)試了變壓器原邊和副邊線圈的電感量隨溫度的變化,， 如圖3 所示,， 從圖3 中可見隨著溫度的升高， 線圈的電感量先增加,， 然后小幅下降,， 再小幅上升,， 在環(huán)境溫度為220℃ 以前， 變壓器的原邊與副本電感量的整體趨勢(shì)是逐漸增加,， 當(dāng)溫度達(dá)到220℃ ,，磁芯溫度達(dá)到居里點(diǎn)， 線圈的電感量迅速降為零,。對(duì)于不同磁芯材料的變壓器其居里點(diǎn)溫度有所不同,， 對(duì)于此類變壓器， 可知居里溫度在220℃附近,。當(dāng)變壓器溫度接近居里點(diǎn)時(shí),， 變壓器電感量會(huì)迅速減小，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓迅速下降,。

　　實(shí)驗(yàn)中還測(cè)試了電路中的輸入輸出的其他電感元件的電感量隨溫度的變化,。在整個(gè)加熱階段， 其他元件的電感量隨溫度變化很小,， 與變壓器電感量變化相比可以忽略,。而且在變壓器電感量下降的階段， 其他電感元件的電感量變化仍然較小,。

　　為了校正環(huán)境溫度與模塊因自生熱升高的溫度,， 選擇一模塊， 將模塊外殼穿孔,， 并將感溫線放到變壓器的圓孔內(nèi)部,， 測(cè)試變壓器的溫度， 通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理,，得到變壓器溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)： y = 1. 18x +13,。可見變壓器的溫度遠(yuǎn)高于電源模塊的工作溫度,。

　　當(dāng)環(huán)境溫度為150℃,，感溫線測(cè)試的結(jié)果約190℃， 由于感溫線測(cè)試點(diǎn)是變壓器圓孔內(nèi)部的空氣,， 不是變壓器的磁芯溫度,， 因此感溫線的測(cè)量結(jié)果比實(shí)際的變壓器的溫度要低很多， 由此可以判斷變壓器的磁芯溫度將接近居里點(diǎn),， 因此當(dāng)模塊的環(huán)境溫度超過150℃時(shí),， 模塊中變壓器的溫度將達(dá)到變壓器磁芯的居里點(diǎn)溫度， 此時(shí)模塊的輸出電壓幾乎為零,。

圖3  變壓器電感量L 與溫度T 的關(guān)系

　　2. 2  脈寬調(diào)制解調(diào)器（PWM）

　　PWM 的主要功能是根據(jù)輸出反饋,， 調(diào)節(jié)脈沖波形的占空比， 并驅(qū)動(dòng)功率器件,， 從而得到穩(wěn)定的直流輸出電壓,。

　　在該型號(hào)電源模塊中,， PWMSG3524 的功能是提供兩路方波信號(hào)給三極管和VDMOS, 并根據(jù)方波信號(hào)的寬度控制VDMOS 的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。在此試驗(yàn)中,， 對(duì)電路工作狀態(tài)的PWMSG3524 單獨(dú)加溫,， 并測(cè)試輸出方波信號(hào)與溫度的關(guān)系， 測(cè)得波形沒有明顯變化,； 在加溫的同時(shí)對(duì)模塊的輸入,、輸出電流電壓進(jìn)行記錄， 發(fā)現(xiàn)隨著PWM 所在環(huán)境溫度的升高輸入電流與輸入電壓變化都很??； 輸出電壓與輸出電流變化也很小，加熱PWM 導(dǎo)致電參數(shù)變化與模塊整體加熱電參數(shù)相比可以忽略,。證明PWMSG3524 對(duì)模塊的溫度特性影響較小,。

　　2. 3  VDMOS

　　VDMOS（ 垂直雙擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管） 在模塊電路中作為開關(guān)器件， 在感性負(fù)載下工作,， 承受高尖峰電壓和大電流,， 具有較高的開關(guān)損耗和溫升， 其開關(guān)頻率可高達(dá)130 kHz, 在這樣高的頻率下工作,， 可能引起內(nèi)部多種退化機(jī)制,， 導(dǎo)致VDMOS 的性能下降， 甚至失效,。

　　在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)模塊中的VDMOS 單獨(dú)加溫,， 測(cè)試模塊電學(xué)參數(shù)的變化， 通過測(cè)試得到當(dāng)溫度到180℃時(shí),， 輸入電流隨溫度的升高有較為明顯的增加,。而輸出電壓、輸出電流隨溫度的升高變化較小,。此外計(jì)算模塊的輸出效率,， 判斷模塊是否處在正常工作狀態(tài)， 通過計(jì)算可到對(duì)VDMOS 單獨(dú)加熱到180℃ 時(shí),， 模塊的輸入電流迅速增加,。而當(dāng)溫度升至220℃， 輸出電壓幾乎沒有變化,， 由于模塊在150 ℃已經(jīng)失效,， 而此時(shí)單獨(dú)加熱溫度已經(jīng)高達(dá)180 ℃，遠(yuǎn)高于模塊整體加熱失效的溫度,， 因此VDMOS 的溫度特性不是影響輸出電壓變化的原因,。

　　2. 4  二極管（ SBD）

　　在模塊中使用的二極管有穩(wěn)壓二極管,， 整流二極管,， 其中整流二極管在電壓轉(zhuǎn)換過程中扮演了重要的角色,。在變壓器的輸出端， 兩個(gè)整流二極管在不同時(shí)段導(dǎo)通,， 使交流脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動(dòng),。在本實(shí)驗(yàn)中， 對(duì)電路中的SBD 單獨(dú)加熱,， 發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,， 模塊的輸出電壓沒有較明顯的變化。因此模塊在高溫" title="高溫">高溫工作的環(huán)境下,， SBD 不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素,。

　　2. 5  光電耦合器

　　光電耦合器（ 以下簡(jiǎn)稱光耦） 以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入,， 輸出電信號(hào)有良好的隔離作用,。光耦一般由3 部分組成： 光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大,。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（ LED） , 使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,， 它被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流， 再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出,。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換,， 從而起到輸入、輸出隔離的作用,。由于光耦輸入輸出間互相隔離,，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)， 因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力,。

　　在模塊中,， 光耦作為隔離輸入、輸出的重要部件,， 同時(shí)將輸出端比較放大器輸出的電流信號(hào)傳輸?shù)絇WM的9 腳,， 而9 腳是PWM 的補(bǔ)償端， 它與比較器的反向輸入端相連,， 控制PWM 的11 腳和14 腳輸出脈沖的寬度,。從而調(diào)整模塊的輸出電壓保持穩(wěn)定。

　　在本實(shí)驗(yàn)中,， 首先測(cè)試模塊中使用的光耦NEC2705 的輸入端電流與輸出端電流的比例系數(shù)隨溫度的變化,， 輸入端所加電流為11 mA, 結(jié)果表明在25  時(shí)，該光耦的電流傳輸比接近1 ：1, 但是隨著溫度的升高,，輸入電流不變,， 輸出端的電流逐漸減小， 大約每升高10  , 光耦的電流傳輸比減小4%, 結(jié)果如圖4 所示。

　　然后對(duì)工作狀態(tài)中模塊的光耦單獨(dú)加熱（ 模塊光耦較大,， 可取下焊線后單獨(dú)加熱） , 測(cè)量模塊的輸出電壓,，見圖5。發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,， 模塊電壓逐漸下降,， 且與模塊整體加熱時(shí)測(cè)得的輸出電壓隨溫度上升而下降趨勢(shì)基本符合。通過分析可知,， 隨著環(huán)境溫度的升高,，電源模塊各元件的功耗增加， 將導(dǎo)致模塊的輸出電壓的下降,， 此時(shí)應(yīng)當(dāng)通過光耦連接的反饋電路,， 使得PWM輸出的脈寬增加， 提高輸出端的電壓,， 但是由于光電耦合器的傳輸效率下降,， 不能完全將負(fù)反饋的結(jié)果傳輸給PWM。使得PWM 輸出脈寬比實(shí)際較窄,， 即電壓調(diào)整能力降低,， 使輸出電壓隨環(huán)境溫度上升而下降 。

圖4 光耦電流傳輸比與溫度T 的關(guān)系,。

圖5  輸出電壓與光耦溫度T 的關(guān)系

　　3  結(jié) 語

　　綜上所述,， 模塊溫度特性表現(xiàn)為： 在溫度小于150  的時(shí)候， 模塊的輸出電壓緩慢下降,， 原因是由于光耦電流傳輸比的下降引起,； 當(dāng)溫度大于150  時(shí)， 電源模塊輸出電壓迅速下降,， 甚至輸出電壓幾乎為零,， 其原因是此時(shí)模塊中變壓器的磁芯溫度接近居里點(diǎn)溫度（ 220  ） 。變壓器作用失效所引起,。在此情況中,， 如果模塊內(nèi)部沒有產(chǎn)生其他的損傷， 當(dāng)停止加熱,， 模塊溫度恢復(fù)到室溫,， 模塊重新加電， 模塊輸出電壓仍能恢復(fù)到正常值,。然而,， 對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的模塊， 當(dāng)環(huán)境溫度超過150  左右時(shí),， 由于模塊變壓器的磁芯溫度達(dá)到距離點(diǎn),， 使磁芯溫度升高,， 該正反饋會(huì)使磁芯溫度迅速升高， 產(chǎn)生的熱量也更多,， 造成模塊內(nèi)部其它器件的損壞,，很容易造成模塊的永久損毀。