DC-DC電源模塊的失效分析

【摘" 要】文章以隔離型DC-DC電源模塊在實際使用中發生的功能失效作為研究背景。首先，介紹該電源模塊的啟動電路和工作原理。其次，通過電源模塊實物拆解和元器件分析，定位到穩壓二極管故障。最后，針對二極管故障追溯其失效原因，同時給出電源模塊的設計和使用建議。

【關鍵詞】電源模塊;穩壓二極管;泄漏電流;實際失效

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0033-03

Failure Analysis of DC-DC Power Module*

【Abstract】Based on the research background of the failure of isolated DC-DC power module in practical use， the starting circuit and working principle of the power module are introduced. Through the disassembly analysis of the power module， the fault of the voltage regulator diode of the component is found， the failure reason is analyzed， and the design and use of the power module are given.

【Key words】power module;zener diode;leakage current;actual failure

DC-DC（直流/直流轉換）電源模塊是一種通過功率半導體開關器件實現DC/DC功率變換的開關電源，廣泛應用于通信、汽車和航天等領域。其不僅是電子器件的電源供給，更是系統正常工作和性能發揮的基本保障。因此，電源模塊的失效分析對于提高電子器件、控制系統的品質和可靠性尤為重要。目前不同專業、多位學者對電源模塊都進行了解剖式的失效分析，其中李華霖等[1]采用了布朗漂移運動和阿倫尼斯模型，在60～80℃的不同溫度點對電源模塊進行加速退化試驗，以確認其退化特征是否與高溫有影響，最終發現內部片式電容器端頭機械斷裂，表明斷裂與電源模塊線路板局部形變應力有關，應力來源與試驗中的持續高溫有關，也與電源模塊組裝工藝異常所致的應力殘存有關。王堅等[2]通過可靠性三綜合摸底試驗，發現電源模塊失效，檢查外觀發現引線柱絕緣子出現碎裂，開蓋檢查，發現內部引線柱和基板上焊盤間的連接焊點有裂紋，通過安裝方向的受力分析及試驗證明管腳剪切力大，提出元器件加固改進方法。侯雪川等[3]分析了功率開關器件在電源模塊內部失效的主要原因，啟封失效產品，露出其內部實體結構，經逐步排查發現，該模塊主回路中的功率開關（場效應管）發生失效，場效應管的漏極（D）和源極（S）之間短路。本文結合實際失效案例，從分析電源模塊工作原理入手，對電源模塊失效機理進行分析和總結，并對電源模塊的設計和使用提出建議。

1" 失效案例介紹

某地運行的現代有軌電車使用了4組超級電容箱作為動力來源純電動、無接觸網運行，自2017年交付以來產品已正常運行5年。在2023年度出現3次運行故障，故障率升高。回調超級電容箱遠程監控數據，3次故障均存在BMS均衡采集板上傳最低單體電壓0V的現象，最終導致了單體欠壓嚴重報警。經查超級電容單體欠壓報警實際為BMS均衡采集板故障，表現為板卡電源指示燈熄滅，無法上電，單體電壓無法采集。板卡電路原理如圖1所示，其中DC-DC電源模塊輸入為24V，輸出5V電源，給板卡內單片機、采樣電路和通信電路供電使用。

2" 失效分析

2.1" 電源模塊的啟封

DC-DC電源模塊為供應商提供，首先對正常電源模塊進行拆解分析，了解其工作原理，再對故障電源模塊進行拆解分析。

如圖2所示，DC-DC電源模塊外殼采用金屬罩殼進行屏蔽，內部灌膠密封。啟封電源外部金屬外殼，對黑色灌封膠使用專用解膠劑浸泡24h后進行清理。圖3為DC-DC電源模塊內部PCB電路。DC-DC電源模塊正面PCB頂層主要器件為三極管、穩壓二極管、電源芯片、電容和電阻。模塊反面PCB底層主要器件為電感、變壓器、功率開關（MOS管）、穩壓二極管（齊納二極管）、二極管、電容和電阻。

2.2" 電源模塊的工作原理

通過PCB頂層的電源芯片表面絲印，查出DC-DC電源模塊采用的是德州儀器（TI）公司生產的UCC28C40D型號電源芯片作為電源設計的解決方案。該款電源芯片最高驅動頻率1MHz，可直接驅動大功率外部MOSFET，最小啟動電壓7V，最小啟動電流50μA，工作溫度-40～125℃。主要特點為：啟動損耗小、運行功耗小、轉換效率高，并具有快速電流感應能力（35ns）和優越的過載短路保護功能[4]。

為更好分析電源模塊的工作原理，按照電源模塊的輸入范圍、輸出電壓、功率的設計要求，采用TI電源設計軟件WEBENCH模擬正向設計電源模塊[5]。WEBENCH模擬設計的DC-DC電源電路圖如圖4所示。電源模塊主要由輸入濾波、功率轉換、變壓器、電源芯片、取樣比較、光耦和啟動電源電路組成。工作原理為：輸入直流電壓，通過LC濾波電路，再經過功率轉換部分轉換為一種含有多種交流分量的方波電壓，該方波電壓經過變壓器按原副匝數比轉換為次級方波電壓，該方波電壓再經過整流濾波部分轉換為所需的直流電壓。其中變壓器不僅起到電壓變換的作用，還起到隔離變換的作用，使前后級隔離，減少相互干擾。電源模塊的輸出電壓通過光耦隔離取樣并和參考電壓相比，得到的差值經放大傳送到電源芯片。電源芯片通過調整PWM占空比從而調整MOS管的導通與關斷比例，直至調整電壓輸出5V穩定。其工作原理簡化方程如下：

Uo=Ui×Ton×F（1）

式中：Uo——輸出電壓;Ui——輸入電壓;Ton——功率開關導通時間;F——電源芯片輸出的PWM頻率。

WEBENCH設計的電源啟動電路為啟動電阻Rstart1、Rstart2限流通過穩壓二極管穩壓D2進行供電啟動。實物電源模塊的電源啟動電路為三極管預充電容實現。兩者電源芯片正常工作后均通過變壓器的副邊變線圈直接供電，以降低功率損耗，提高電源轉換效率。

圖5為實測的DC-DC電源模塊簡化電路。啟動電路中R1為三極管Q1的偏置電阻起限流作用，D2穩壓二極管（絲印WF）保護三極管B極電壓不會超過10V，R2為預充限流電阻，C1為支撐電容，D1穩壓二極管（絲印9V）保護電源芯片供電不超過9V。電源模塊上電啟動原理為：當輸入9～36V電壓時，三極管處于放大狀態，輸入電壓通過三極管、R2對電容C1預充電，當C1電壓高于7V時，電源芯片啟動工作，MOS開關管打開，通過變壓器副邊線圈整流經D1穩壓二極管穩壓到9V為電源芯片供電，由于D2穩壓二極管的存在，三極管Q1的B極電壓始終鉗位在10V，VBElt;0.7V三極管截止，啟動完成。

圖6為示波器采集到的DC-DC電源模塊啟動過程中的電壓波形，其中CH1通道為輸入的10.2V電源電壓，CH2通道為C1電容（電源芯片UCC28C40D供電電源）電壓變化曲線?？梢钥闯觯斎腚娫创蜷_后，芯片電壓呈現為RC預充電路電壓曲線變化，當達到7.4V時芯片開始正常工作，通過隔離變壓器反輸出電壓供電，芯片供電電壓瞬間抬升到9.8V（D1穩壓范圍9.4～10.6V）。

2.3" 電源模塊的失效原因

由章節2.2可知，電源模塊的正常輸出必須保證啟動電路的工作正常。測量正常電源模塊啟動電路的電壓數據見表1，VC為三極管集電極電壓也是外部供電輸入電壓，VB是三極管基極電壓也是D2穩壓二極管的電壓，VE是三極管的發射極電壓，VDD是芯片供電電壓也是D1穩壓二極管的電壓。

對失效損壞的電源模塊進行拆解，對模塊內的主要器件上電前檢查。穩壓二極管D1、D2正反方向電阻正常、管壓降正常。電源芯片VDD引腳與GND引腳無短路情況。電感及變壓器線圈處于導通正常狀態。MOS開關管續流二極管壓降正常，MOS開關管無擊穿現象。電阻阻值、電容容量在其表面絲印數據正常范圍內。上電后測量啟動電路電壓數據見表2。

對比表1、表2，結合電源芯片手冊，兩個失效的電源模塊的芯片供電電壓小于7V，芯片無法啟動，電源模塊失效。為驗證電源模塊的失效損壞只與啟動電路有關，將輸入電壓調整到9V供電，快速短接VC與VDD斷開后，二個損壞的電源模塊均啟動，正常工作，輸出電壓5V穩定，帶載供電板卡工作1h正常。為分析啟動電路電壓異常原因，對啟動電路的元器件逐個拆除測量電壓變化，如圖7所示，最終定位到穩壓二極管D2異常。更換故障穩壓二極管D2，將拆除的其他元器件依次焊接，故障修復，帶載供電板卡工作48h正常。

綜上所述，電源模塊的失效原因是其啟動電路故障，啟動電路的故障是由于穩壓二極管D2的異常，造成了三極管Q1沒有按照設計功能進行放大而提前截止，預充的電容電壓過低，電源芯片無法工作。

2.4" 穩壓二極管的失效原因

由圖7可計算出VB為3.42V時穩壓二極管的泄漏電流為：

ID===0.0648（mA）（2）

根據D2穩壓二極管絲印“WF”，查找其型號為BZT52C2V4S，其主要性能參數見表3，當穩壓二極管的電壓在3.42V時，低于最高反向工作電壓VR（7V），最大泄漏電流不應超過IR（0.2μA），由此可知該穩壓二極管（齊納二極管）存在異常泄漏電流，功能失效。

目前已經排查到模塊內部存在穩壓二極管故障，再分析模塊外部原因。當模塊外部遭受雷擊浪涌電壓2kV后，計算穩壓二極管的瞬間通過電流為：

ID==19.9（mA）

此時穩壓管的功率：

p=ID×VZ=19.9×10=199（mW）

由計算可知，當浪涌電壓過大時，穩壓二極管已處于最大功率臨界點，在使用過程中如果受到多次浪涌沖擊，會造成不可逆的影響。

3" 設計和使用的優化

3.1" 電源模塊的優化

電源模塊中損壞的穩壓二極管功耗200mW，封裝SOD323。在不增加電源模塊的外形尺寸下，可以選擇封裝稍大、功率較大的穩壓二極管，如安森美半導體的穩壓二極管SZMMSZ5240BT1G，SOD123封裝，反向電流3μA@3V，穩壓值9.5～10.5V，功率500mW，來提高電源模塊的浪涌電壓抗擾度。

3.2" 電源模塊的使用

在使用電源模塊時，為了進一步穩定輸入電源，在電源模塊輸入端應該增加一電容Cin（100μF/50V）以增強其浪涌抗擾度[6]，減小外部電壓波動對電源模塊內部敏感元件的沖擊。

4" 結束語

結合實際失效案例，對DC-DC電源模塊進行故障失效分析，詳細介紹了電源模塊的啟動電路和工作原理。通過快速短接法、拆解替換法定位到具體故障電子元件，最終發現了故障電子元件穩壓二極管的反向漏電流參數發生了變化，導致了電路異常。最后針對電源模塊的設計和使用提出了優化方法。

參考文獻：

[1] 李華霖，李鑒濤. 某型裝備延壽試驗電源模塊失效分析[J]. 航空維修與工程，2018（8）：48-51.

[2] 王堅，雷云，陳超. 一種DC/DC模塊電源失效原因分析及解決方法[J]. 電訊技術，2008（7）：66-68.

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

[4] Texas Instruments. UCCx8C4x BiCMOS Low-Power Current-Mode PWM Controller datasheet[Z]. 2007.

[5] 廣州致遠電子有限公司. C135930_電源模塊_E2405 UHBD-8W_規格書_ZLG電源模塊規格書[Z].

[6] 廣州金升陽科技有限公司. DC/DC 模塊電源URA_ZP-6WR3amp;URB_ZP-6WR3系列規格書[Z].