某型船電力監(jiān)控設(shè)備電源模塊故障分析及處理

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

某型船電力監(jiān)控設(shè)備電源模塊故障分析及處理

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

以某型船電力監(jiān)控設(shè)備的電源模塊在實(shí)際使用中發(fā)生的故障為研究背景，對(duì)電源模塊故障發(fā)生的原因進(jìn)行理論分析，并結(jié)合實(shí)際故障情況，提出了處理方法和措施.最后搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

故障分析；電源模塊；PCB線寬；散熱

0 引言

DC/DC電源模塊廣泛應(yīng)用于裝備系統(tǒng)以及工業(yè)領(lǐng)域中，它體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換效率高，其高可靠性可保證系統(tǒng)的正常工作和性能發(fā)揮。但由于電源本身設(shè)計(jì)不當(dāng)或者散熱工藝不合理等多種原因，在實(shí)際工作中有時(shí)會(huì)發(fā)生電源模塊失效等問題。

本文結(jié)合電源模塊故障案例，對(duì)故障原因進(jìn)行分析，提出了解決措施，搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了可行性。

1 故障現(xiàn)象

2014年1月至3月期間，某型船電力監(jiān)控設(shè)備內(nèi)的電源模塊多次出現(xiàn)輸入端“Uin+”燒毀現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不能正常工作。

2 故障原因分析

選用朝陽(yáng)電源模塊制作得到的電源模塊功率為150W，為單路24V輸入、24V輸出的DC/DC電源。實(shí)船工作時(shí)輸出負(fù)載共兩路，一路工作電流約為3A；另一路工作電流約為1A。

對(duì)故障電源模塊進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果如下：

1）所有故障電源模塊的輸入端“Uin+”均有燒黑或燒毀現(xiàn)象，部分電源模塊的輸入端“Uin-”也有輕微燒黑現(xiàn)象，但朝陽(yáng)電源均能正常工作。

2）電源模塊的印刷電路板(PCB)上銅皮走線線寬均為1.5mm，銅皮為常規(guī)厚度35μm。

2.1 理論分析

設(shè)計(jì)電源模塊的PCB時(shí)需重點(diǎn)考慮電源線上的溫升。溫升的計(jì)算依據(jù)采用的是IPC標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式為：

電源模塊為外層PCB，則：

公式中，A為銅皮橫截面積：

I為通過電源線上電流：

計(jì)算可得線路溫升T約為11℃，實(shí)船中電源模塊工作環(huán)境溫度為30～40℃，如果僅考慮銅皮自身發(fā)熱，那么溫度在51℃，不足以燒黑甚至燒毀電路板，從而說(shuō)明電路板的損壞是由于電源模塊發(fā)熱引起的。但是如果電源模塊散熱充分，是不會(huì)損壞電路板的，所以判斷故障產(chǎn)生原因?yàn)殡娫茨K工作時(shí)未得到充分散熱。

電源模塊工作時(shí)散熱不充分使得熱量逐漸積累，溫度逐步上升，電路板上電源輸入端受到電源模塊發(fā)熱以及銅皮自身發(fā)熱的共同作用，使其溫度疊加至最高，電路板則緩慢老化直至碳化，隨著設(shè)備使用時(shí)間的增長(zhǎng)，最終燒毀。

2.2 對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述分析，搭建試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)模擬實(shí)船使用環(huán)境。將電源模塊直接置于自身導(dǎo)熱性較差的復(fù)合板桌面上，電源模塊帶與實(shí)船中相同的負(fù)載工作，環(huán)境溫度33℃，使用熱成像儀觀察并記錄試驗(yàn)過程。

圖1為電源模塊帶載工作的熱成像圖。圖中標(biāo)出了電源的24V+輸入線路，其顏色深度代表線路發(fā)熱程度；圓圈標(biāo)注的“Uin+”為電源模塊的輸入端。

圖1 電源模塊帶載通電

試驗(yàn)內(nèi)容分成兩部份，一部分是電源模塊不帶散熱器即不能充分散熱的工況，另一部分是帶有散熱器能夠充分散熱的工況。

1）電源模塊不帶散熱器

電源模塊在此狀態(tài)下工作2h，拍攝熱成像圖，如圖2所示。

圖2 電源模塊不帶散熱器帶載工作2h的熱成像圖

記錄2h后的電源模塊中心溫度、電源輸入線路溫度和Uin+溫度如表1所示。可看出，不帶散熱器的電源模塊工作2h后各個(gè)采樣點(diǎn)的溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。

表1 電源模塊不帶散熱器帶載工作溫度

2）電源模塊帶有散熱器

電源模塊置于鋁散熱器上，其導(dǎo)熱面直接接觸散熱器，工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速傳遞至散熱器上使模塊溫度下降，圖3為放置散熱器上工作2h后的熱成像圖。

圖3 電源模塊帶有散熱器帶載工作2h后的熱成像圖

電源模塊帶散熱器后工作溫度如表 2所示。可看出，帶有散熱器的電源模塊工作2h后各個(gè)采樣點(diǎn)的溫度只是略高于環(huán)境溫度。

表2 電源模塊不帶散熱器帶載工作溫度

2.3 分析結(jié)論

1）電源模塊帶有散熱器正常工作時(shí)，產(chǎn)生的大部分熱量均通過散熱器傳遞出去，電源模塊的輸入端(Uin+、Uin-)溫度不會(huì)過高，也就不會(huì)導(dǎo)致上述故障現(xiàn)象。

2）電源模塊不帶散熱器工作時(shí)，產(chǎn)生的大部分熱量無(wú)法傳遞出去，使得輸入端(Uin+、Uin-)溫度較高；而電路板上電源輸入線路銅皮也會(huì)發(fā)熱，兩者溫度疊加造成輸入端(Uin+、Uin-)溫度繼續(xù)升高，隨著時(shí)間的累積，溫度越來(lái)越高，最終導(dǎo)致輸入端燒毀。

3）印刷電路板銅皮走線線寬較窄，成為發(fā)熱源，從安全角度考慮需要進(jìn)行加寬處理。

3 處理措施

1）重新設(shè)計(jì)電源模塊的電路板。將電路板電源輸入、輸出線的銅皮寬度加寬，從而增大線路載流量，降低線路發(fā)熱量；在電源模塊工作溫度較高的區(qū)域進(jìn)行區(qū)域覆銅以及增加過孔，以利于散熱。

2）提高電源模塊的安裝工藝。增加散熱器，在電源模塊的導(dǎo)熱板與散熱器之間涂裝導(dǎo)熱酯或加裝導(dǎo)熱橡膠，使導(dǎo)熱板與散熱器能良好接觸，從而保證電源模塊的良好散熱。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將經(jīng)過處理的電源模塊進(jìn)行換裝，并置于搭建試驗(yàn)環(huán)境中，帶與實(shí)船中相同的負(fù)載工作，其他條件不變，工作2h，使用熱成像儀觀察并記錄試驗(yàn)過程，得到熱成像圖像如圖4所示。可看出，電源模塊電路板的溫度分布更加均勻，溫度值也只是略高于環(huán)境溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明增加散熱器以及加寬銅皮走線的電源模塊散熱能力得到增強(qiáng)，不會(huì)再出現(xiàn)過高的溫度，從而避免了電源模塊的損壞，驗(yàn)證了故障分析和故障處理措施的正確。

圖4 經(jīng)過處理的電源模塊帶載工作2h的熱成像圖

電源模塊不同部位的溫度值，如表3所示。

表3 經(jīng)過處理的電源模塊帶載工作溫度

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述的故障分析與處理可知，電源走線的溫升與線寬關(guān)系密切，可根據(jù)走線電流的要求，以及銅箔的發(fā)熱要求，來(lái)確定導(dǎo)線線寬。

散熱器的使用可解決電源模塊嚴(yán)重發(fā)熱的問題，可在一定程度上降低電源模塊的溫度，保證其在正常工作范圍，這有效提高了電源模塊的可靠性，延長(zhǎng)了電源模塊的壽命。

[1]侯雪川,周霞,艾多文.DC/DC電源模塊失效案例分析[J].質(zhì)量與可靠性,2011(6): 43-46.

[2]高峰鴿,宜鍵. PCB電源布線設(shè)計(jì)-印制導(dǎo)線溫升與導(dǎo)線寬度和負(fù)載電流的關(guān)系[J].無(wú)線通信技術(shù)，2011(4): 52-56.

[3]舒浙偉,郭康賢,彭超.DC/DC電源模塊散熱器的設(shè)計(jì)及熱分析[J].電子產(chǎn)品世界,2012(1): 55-57.

Analysis and Handling of Fault on Power Module of Shippower Monitoring Device

GU Xue-chen
(Shanghai Navy Commissary Dept,Shanghai 200011,China)

Taking the power module failure occuring in application as research background,combined with the actual conditions,the reasons for the fault are analyzed,and then,the treatment method is proposed.Finally,the platform for the power module is set up for contrast test.

fault analysis; power module; PCB line width; heat dissipation

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.016

顧雪晨，男，工程師。主要從事電氣自動(dòng)化專業(yè)。