電源模塊輸出電壓與工作溫度的關(guān)系

1引言

DC/ DC 電源模塊( 以下簡(jiǎn)稱模塊)，是一種運(yùn)用功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)DC/ DC 功率變換的開(kāi)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(guó)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(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛， 所工作的環(huán)境也越來(lái)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)某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(kāi)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)。

2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(jiàn)，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(guò)多而失效。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(jiàn)模塊的效率，隨著溫度的升高，變化趨勢(shì)更加明顯，開(kāi)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。圖1 電源模塊Vout 與溫度T 的關(guān)系。

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(guò)測(cè)試可以完成模塊的所有功能，同時(shí)因?yàn)榉羌苫?，可以?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2 電源模塊效率η 與溫度T 的關(guān)系。

圖1 溫度與輸出電壓的關(guān)系

圖2 電源模塊效率與溫度的關(guān)系

3元件溫度性能對(duì)模塊溫度特性的影響

3. 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(lái)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(jiàn)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。圖3 變壓器電感量L 與溫度T 的關(guān)系。

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(guò)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?？梢?jiàn)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(guò)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。

3. 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(méi)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小;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。

3. 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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗和溫升， 其開(kāi)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(guò)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(guò)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(méi)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。

3. 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(guò)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(méi)有較明顯的變化。因此模塊在高溫工作的環(huán)境下， SBD 不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素。

3. 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(guò)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。圖4 光耦電流傳輸比與溫度T 的關(guān)系。

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(jiàn)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(guò)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(guò)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5 輸出電壓與光耦溫度T 的關(guān)系。

圖3 變壓器溫度與變壓器電感量的關(guān)系

圖4 光耦溫度與光耦傳輸比的關(guān)系

圖5 光耦溫度與輸出電壓的關(guān)系

4總結(jié)

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(méi)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(guò)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。

審核編輯：湯梓紅