大功率DC-DC電源模塊常見(jiàn)故障及解決方案

電源模塊作用都是為微控制器、集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器、模擬電路及其他數(shù)字或模擬負(fù)載供電。電源模塊的雖然可靠性比較高，但在使用過(guò)程也可能出現(xiàn)故障，主要的故障原因分為兩大類：參數(shù)異常和使用異常。下文將分析較為常見(jiàn)的電源模塊參數(shù)異常故障問(wèn)題，提供相應(yīng)的解決方案，其中的某些故障，您或許也遇到過(guò)。

一、輸入電壓過(guò)高
針對(duì)電源模輸入?yún)?shù)異常——輸入電壓過(guò)高。這中異常輕則導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，重則會(huì)燒毀電路。那么輸入電壓過(guò)高通常是那些原因造成的呢？
輸出端懸空或無(wú)負(fù)載；
輸出端負(fù)載過(guò)輕，輕于10%的額定負(fù)載；
輸入電壓偏高或干擾電壓。
針對(duì)這一類問(wèn)題，可以通過(guò)調(diào)整輸出端的負(fù)載或調(diào)整輸入電壓范圍，具體如下所示：
確保輸出端不小于少10%的額定負(fù)載，若實(shí)際電路工作中會(huì)有空載現(xiàn)象，就在輸出端并接一個(gè)額定功率10%的假負(fù)載；
更換一個(gè)合理范圍的輸入電壓，存在干擾電壓時(shí)要考慮在輸入端并上TVS管或穩(wěn)壓管。

二、輸出電壓過(guò)低
針對(duì)電源模輸出參數(shù)異?！敵鲭妷哼^(guò)低。這可能會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)不能正常工作，如微控制器系統(tǒng)中，負(fù)載突然增大，會(huì)拉低微控制器供電電壓，容易造成復(fù)位。并且電源長(zhǎng)時(shí)間工作在低輸入電壓情況下，電路的壽命也會(huì)出現(xiàn)極大的折損。因此輸出電壓偏低的問(wèn)題是不容忽視的，那么輸出電壓過(guò)低通常是那些原因造成的呢？如下圖1所示。
輸入電壓較低或功率不足；
輸出線路過(guò)長(zhǎng)或過(guò)細(xì)，造成線損過(guò)大；
輸入端的防反接二極管壓降過(guò)大；
輸入濾波電感過(guò)大。

??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1 輸出電壓過(guò)低原因
針對(duì)這一類問(wèn)題，可以通過(guò)調(diào)整供電或者更換相應(yīng)的外圍電路來(lái)改善，具體如下所示：
調(diào)高電壓或換用更大功率輸入電源；
調(diào)整布線，增大導(dǎo)線截面積或縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度，減小內(nèi)阻；
換用導(dǎo)通壓降小的二極管；
減小濾波電感值或降低電感的內(nèi)阻。

三、輸出噪聲過(guò)大
針對(duì)電源模輸出參數(shù)異?！敵黾y波噪聲過(guò)大。眾所周知，噪聲是衡量電源模塊優(yōu)劣的一大關(guān)鍵指標(biāo)，在應(yīng)用電路中，模塊的設(shè)計(jì)布局等也會(huì)影響輸出噪聲，那么輸出紋波噪聲過(guò)大通常是那些原因造成的呢？
電源模塊與主電路噪聲敏感元件距離過(guò)近；
主電路噪聲敏感元件的電源輸入端處未接去耦電容；
多路系統(tǒng)中各單路輸出的電源模塊之間產(chǎn)生差頻干擾；
地線處理不合理。
ZDS2024示波器測(cè)試有較大噪聲干擾問(wèn)題的電源模塊，如圖2所示：

??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 電源紋波波形圖
針對(duì)這一類問(wèn)題，可以通過(guò)將模塊與噪聲器件隔離或在主電路使用去耦電容等方案改善，具體如下：
將電源模塊盡可能遠(yuǎn)離主電路噪聲敏感元件或模塊與主電路噪聲敏感元件進(jìn)行隔離；
主電路噪聲敏感元件（如：A/D、D/A或MCU等）的電源輸入端處接0.1μF去耦電容；
使用一個(gè)多路輸出的電源模塊代替多個(gè)單路輸出模塊消除差頻干擾；
采用遠(yuǎn)端一點(diǎn)接地、減小地線環(huán)路面積。

四、電源耐壓不良
針對(duì)電源模性能參數(shù)異常——電源模塊的耐壓不良。通常，隔離電源模塊的耐壓值高達(dá)幾千伏，但可能在應(yīng)用或測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)不能達(dá)到該指標(biāo)的情況，那么哪些因素會(huì)大大降低其耐壓能力呢？
耐壓測(cè)試儀存在開(kāi)機(jī)過(guò)沖；
選用模塊的隔離電壓值不夠；
維修中多次使用回流焊、熱風(fēng)槍。
用耐壓儀測(cè)試電源模塊隔離電壓的方法如圖3所示：

??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????圖3 耐壓測(cè)試圖
針對(duì)這一類問(wèn)題，可通過(guò)規(guī)范測(cè)試和規(guī)范使用兩方面改善，具體如下所示：
耐壓測(cè)試時(shí)電壓逐步上調(diào)；
選取耐壓值較高的電源模塊；
焊接電源模塊時(shí)要選取合適的溫度，避免反復(fù)焊接，損壞電源模塊。

五、電源模塊啟動(dòng)困難
首先是破壞力較小的情況——電源模塊在啟動(dòng)中出現(xiàn)啟動(dòng)困難，甚至啟動(dòng)不了。大家在使用電源模塊過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)電源模塊輸出端電壓正常，輸出端就是沒(méi)有任何輸出，電源模塊也無(wú)損壞，是什么原因呢？具體原因如下所示：
外接電容過(guò)大；
容性負(fù)載過(guò)大；
負(fù)載電流過(guò)大；
輸入電源功率不夠。
針對(duì)這一類問(wèn)題，可以通過(guò)調(diào)整輸出端的電容以及負(fù)載或調(diào)整輸入端的功率進(jìn)行改善，具體如下所示：
外接電容過(guò)大，在電源模塊啟動(dòng)時(shí)向其充電較長(zhǎng)時(shí)間，難以啟動(dòng)，需要選擇合適的容性負(fù)載；
容性負(fù)載過(guò)大時(shí)需可先串聯(lián)一個(gè)合適的電感；
輸出負(fù)載過(guò)重是會(huì)造成啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，選擇合適負(fù)載；
換用功率更大的輸入電源。

六、模塊發(fā)熱嚴(yán)重
較啟動(dòng)困難而言，更為嚴(yán)重的使用異常情況是電源模塊在使用的時(shí)候發(fā)熱很嚴(yán)重。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因是由于電源模塊在電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中有能量損耗，產(chǎn)生熱能導(dǎo)致模塊發(fā)熱，降低電源的轉(zhuǎn)換效率。這會(huì)影響電源模塊正常工作，并且可能會(huì)影響周圍其他器件的性能，這種情況需要馬上排查。那么什么情況下會(huì)造成電源模塊發(fā)熱較嚴(yán)重呢？具體原因如下所示：
使用的是線性電源模塊；
負(fù)載過(guò)流；
負(fù)載太?。贺?fù)載功率小于模塊電源輸出功率的10%，都會(huì)有可能會(huì)導(dǎo)致模塊發(fā)熱（效率太低）；
環(huán)境溫度過(guò)高或散熱不良。
熱成像儀觀測(cè)下的發(fā)熱電源模塊如圖4所示：

???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????圖4 電源模塊熱成像圖
針對(duì)這一類問(wèn)題，可以通過(guò)外在環(huán)境的優(yōu)化或通過(guò)調(diào)整負(fù)載來(lái)改善，具體如下所示：
使用線性電源時(shí)要加散熱片；
提高電源模塊的負(fù)載，確保不小于10%的額定負(fù)載；
降低環(huán)境溫度，保持散熱良好。

七、模塊電源損壞較快
那么比電源模塊發(fā)熱更為嚴(yán)重的使用異常情況自不必多說(shuō)，那就是這個(gè)電源模塊直接損壞了。那么電源模塊使用沒(méi)多久就損壞，并且更換后沒(méi)幾天又壞了，這是什么原因?qū)е碌哪?？首先需要排除掉是否是使用劣質(zhì)的電源這一情況，那么還有哪些因素會(huì)導(dǎo)致這一問(wèn)題呢？具體原因如下圖5所示：
輸出負(fù)載過(guò)輕使其可靠性降低所致；
輸出端電容過(guò)大導(dǎo)致模塊啟動(dòng)時(shí)造成損壞；
輸入端電壓長(zhǎng)期偏高導(dǎo)致模塊輸入端開(kāi)關(guān)管損壞。

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????圖5 電源模塊損壞
這一類問(wèn)題也是負(fù)載不匹配導(dǎo)致的，可以通過(guò)改變輸出負(fù)載、電容或者改變合適的輸入電壓通過(guò)改善，具體如下：
確保輸出端不小于少10%的額定負(fù)載，若實(shí)際電路工作中會(huì)有空載現(xiàn)象，就在輸出端并接一個(gè)額定功率10%的假負(fù)載；
選取符合電源模塊技術(shù)手冊(cè)規(guī)格的電容；
選擇合適的輸入電壓。

八、電源模塊上電后快速燒毀
較于上一種電源模塊損壞的情況而言，更可怕的情況就是，不僅壞了電源甚至把整個(gè)電路都燒毀了。具體的現(xiàn)象就是電源模塊剛上電就燒毀冒煙了，輸入端的電容炸裂，如圖6所示，這一類問(wèn)題是最為嚴(yán)重的，需要在前期設(shè)計(jì)中盡量避免，那么若是已經(jīng)發(fā)生了這一情況，它到底是什么原因?qū)е碌哪?？具體如下所示：

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖6 電源模塊燒毀
輸入電壓極性接反了；
輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)稱電壓；
輸出端極性電容接反了；
輸出電路易引起短路或者外接負(fù)載在上電瞬間存在大電流。
這一類問(wèn)題是最為嚴(yán)重的故障，需要重新檢查一遍電路進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化或者調(diào)整電壓，具體如下所示：
接線前注意檢查或加防反接保護(hù)電路；
選擇合適的輸入電壓；
上電前檢查電容極性，確保正確；
在電源模塊輸出端加短路保護(hù)。