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如何解決開關電源應用中的常見問題

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-11-05  瀏覽次數:214
核心提示:目前,市場上電源模塊種類繁多,不同電源產品的輸入電壓、輸出功率、功能及拓撲結構等都各不相同,其特點都是為微控制器、集成電路、數字信號處理器、模擬電路、及其他數字或模擬等負載供電。電源模塊的可靠性比較高,但也可能會發生故障,下面以致遠電子的DC-DC電源為例分析幾種常見的電源故障。

廣州致遠電子有限公司

小功率電源被廣泛地應用于電子電氣行業,在應用的過程中也時常出現一些電源故障,如啟機不良、輸出電壓偏低、模塊過熱等問題,針對這些電源供電故障現象,如何定位背后的問題?本文將一一為您揭曉。

目前,市場上電源模塊種類繁多,不同電源產品的輸入電壓、輸出功率、功能及拓撲結構等都各不相同,其特點都是為微控制器、集成電路、數字信號處理器、模擬電路、及其他數字或模擬等負載供電。電源模塊的可靠性比較高,但也可能會發生故障,下面以致遠電子的DC-DC電源為例分析幾種常見的電源故障。

一、 輸出電壓偏低

電源輸出電壓過低,會讓后級電路無法正常工作,如在微控制器系統中,負載突然增大,會拉低微控制器的供電電壓,而造成微控制器復位,這會對整個系統級的電路帶來毀滅性的打擊,會造成一子落錯全盤毀的連鎖式反應。輸出電壓過低通常是由那些原因造成的呢?

   輸出級并聯多個負載,在正常工作后,有負載需要較大的瞬態電流,造成電壓被瞬間拉低,從而影響其它并聯的負載;

   輸出線路過長或過細,造成線損過大,從而在線路間產生了不小的壓降,最終導致電源模塊的輸出電壓到真正的負載兩端時,電壓偏低;

   防反接二極管的壓降過大,一般二極管的正向壓降在0.2~0.6V之間,如果電源模塊輸出的是5V電壓,那么高導通壓降的二極管所產生的電壓降就會使后級電路的電壓偏低,從而不能正常工作;

   模塊外圍電路中的輸入濾波電感過大,導致內阻變大,電流扼制作用增強,當后級負載突然變重時,電流供應不上而導致負載兩端的電壓偏低。

解決方法:

1)   在輸出端并一個大電容或換用更大功率輸入電源;

2)   調整布線,增大導線截面積或縮短導線長度,減小內阻,如果其電源模塊有Trim功能調節,可以調高輸出電壓來抵消線損產生的壓降;

3)   換用導通壓降小的二極管;

4)   減小濾波電感值且降低電感的內阻。

二、 輸入電壓偏高

由于某些電源模塊內部的電子元器件的電壓余量設計不夠,在輸入電壓過高時,造成模塊損壞,甚至燒毀,這是就需要我們在外圍做一些保護,哪些常見原因易造成輸入電壓偏高呢?

   在電源模塊輸入端進行熱插拔上電,此時其電壓尖峰及浪涌電流都較高,抗壓差的模塊會被瞬間擊穿損壞;

   輸出端負載過輕,輕于10%的額定負載,對一些非線性穩壓的電源產品來說,模塊不一定會損壞,但會影響后級的一些性能,如效率偏低,模塊偏熱等;

   前級供電電源的電壓沖擊導致輸入電壓偏高或產生干擾電壓,電磁兼容也較容易造成輸入電壓高,如雷擊浪涌、群脈沖

解決方法:

1)   確保輸出端不小于少10%的額定負載,若實際電路工作中常有空載現象,就在輸出端并接一個額定功率10%的假負載;

2)   更換一個合理且穩定范圍的輸入電壓源,存在干擾電壓時要考慮在輸入端并上TVS管或穩壓管,也可加EMC的外圍電路。

三、 模塊發熱嚴重

電源模塊在電壓轉換過程中有能量損耗,產生熱能導致模塊發熱,降低電源的轉換效率,影響電源模塊正常工作,但什么情況下會造成電源模塊發熱較嚴重呢?

   使用的是線性電源模塊,由于線性電源內部的電路結構使得其功率導通壓降大,在相同的輸出功率下,線性電源模塊內部產生的損耗更大;

   負載過流,超出數據手冊應用范圍使得內部關鍵器件溫度飆升;

   環境溫度過高或散熱不良。

   其他大發熱源熱傳遞

熱成像儀觀測發熱電源模塊E7805OS-500在標稱電壓下的溫度分布,如圖2所示:

解決方法:

1)   使用線性電源時要加散熱片,或選擇效率高的開關電源;

2)   換輸出功率更大的模塊,確保有70%~80%的負載降額;

3)   降低環境溫度,保持散熱良好。

四、 輸出噪聲較大

噪聲是衡量電源模塊優劣的一大關鍵指標,在應用電路中,模塊周邊元器件的設計布局等也會影響輸出噪聲,哪些因素對輸出噪聲有較大影響呢?

   電源模塊與主電路噪聲敏感元件距離過近;

   主電路噪聲敏感元件的電源輸入端處未接去耦電容;

   多路系統中各單路輸出的電源模塊之間產生差頻干擾;

   地線處理不合理;

   電源模塊輸入端的噪聲過大,未處理,直接耦合到電源模塊輸出端;

ZDS2024示波器測試對比模塊受到干擾與未被干擾的電源模塊輸出紋波噪聲,對比下圖如圖3所示:

未受外界干擾的紋波噪聲,Vz=104mV

未受外界干擾的紋波噪聲,Vz=734mV

解決方法:

1)   將電源模塊盡可能遠離主電路噪聲敏感元件或模塊與主電路噪聲敏感元件進行隔離;

2)   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;

3)   使用一個多路輸出的電源模塊代替多個單路輸出模塊消除差頻干擾;

4)   采用遠端一點接地、減小地線環路面積。

五、 電源模塊啟動困難

在電源的應用電路中,經常會出現電源模塊輸出端電壓不正常,輸出端就是沒有任何輸出,電源模塊也無損壞,是什么原因呢?或許是電源模塊本身就無法啟動?

   外接電容過大(即容性負載過大),需要充電的時間變長,有些電源模塊在規定時間內不能建立好輸出電壓,就會進入過流保護,從而模塊無輸出;

   電子負載在CC模式下也會造成部分啟動能力弱的電源模塊啟機不良,由于在CC模式下啟機的時候,其模擬的負載趨近于零,且反應調節時間相對較長,絕大多數的電源模塊應用的環境屬于純電阻模式;

   負載需要的電流過大,而電源模塊單位輸出的最大平均電流不夠導致模塊無法啟動;

   輸入線路過長,使得線路之間產生的壓降過大,而導致輸入電壓低于模塊輸入電壓的下限要求;

解決方法:

1)   外接電容過大,在電源模塊啟動時向其充電時間較長,難以啟動,需要選擇合適的容性負載;

2)   模塊測試盡量選擇更接近純阻模式負載測試;

3)   選擇功率合適的電源模塊;

4)   先測試電源模塊輸入端引腳電壓是否低于數據手冊要求的最低電壓,再根據實際情況提高電源輸入端的電壓。

六、 耐壓不良

一般隔離電源模塊的耐壓值可高達幾千伏,但在應用電路中,哪些因素會導致其耐壓能力降低?

   選用的模塊隔離電壓值不夠,往往是應用工程師評估的耐壓值比在實際應用環境下的耐壓值低造成的;

   維修中多次使用回流焊、熱風槍;

   外圍電路布線與器件放置時未按安規相關的爬電距離來要求,也會造成耐壓不良。

用耐壓儀測試電源模塊隔離電壓的方法如圖5所示:

解決辦法:

1)   根據現場環境的實際評估值來選取耐壓值合適電源模塊,最好能預留500V以上的余量;

2)   焊接電源模塊時要選取合適的溫度,避免反復焊接,損壞電源模塊;

3)   嚴格按照安規規定的要求布置輸入與輸出之間的線路后器件。

七、 總結

電源模塊故障問題種類繁多,小編針對以上幾種常見的應用型故障問題,淺淺而談,以作拋磚引玉。

致遠電子擁有近二十年的研發經驗,可以提供多種負壓產生方案的選擇。隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個系列,封裝形式多樣,兼容國際標準的SIP、DIP等封裝。同時致遠電子為保證電源產品性能建設了行業內一流的測試實驗室,配備最先進、齊全的測試設備,全系列隔離DC-DC電源通過完整的EMC測試,靜電抗擾度高達4KV、浪涌抗擾度高達2KV,可應用于絕大部分復雜惡劣的工業現場,為用戶提供穩定、可靠的電源隔離解決方案。


 
關鍵詞: 電源模塊 二極管 電子元器件

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