收稿日期：2020年9月10日，修回日期：2020年10月15日
作者简介：高会壮，男，硕士，工程师，研究方向：元器件可靠性。陈光，男，高级工程师，研究方向：元器件可靠性。陈波，男，硕士，高级工程师，研究方向：元器件可靠性。李瑞媛，女，硕士，工程师，研究方向：元器件可靠性。
∗
1引言
DC-DC 电源作为电子系统的二次或三次电
源，是电源母线与各单机系统之间的“桥梁”，起到
为各个工作模块提供工作电源的作用。随着集成电路技术的发展，以DC-DC 转换器为主体的开关电源以转换率高、重量轻、体积小等优势逐步取代了传统的线性电源。DC-DC 电源模块发展符合轻小型、智能化、长寿命等发展趋势，是电源系统的关键部分，其可靠性将直接决定电源系统的稳定性，
甚至会影响设备任务的成败，造成灾难性后果［1~2］。
轨道交通设备所受影响主要来源是温度应力与振动应力，这些环境影响对内部DC-DC 电源模块正常工作带来威胁，导致其性能随着工作时间逐步退化。比如在振动应力的作用下，导致基板受力不均，MOS 管、二极管等表贴器件会产生破裂，导致故障。另外，电应力可能造成器件瞬间击穿等失效情况，这些故障对设备的正常状态影响非常大［3~4］。本文基于DC-DC 电源模块常见故障模式，选取典型器件进行仿真分析，确定故障诊断方法。
DC-DC 电源模块故障诊断方法
∗
高会壮
陈
光
陈
波
李瑞媛
（航天科工防御技术研究试验中心
北京
100854）
摘
要
DC-DC 电源模块作为电子系统电源供应器，随着在工程设备中应用广泛，其退化情况与故障情况越来越受到
关注。针对DC-DC 电源模块的很多研究都倾向于把其内部某些器件单独拿出来进行分析，并研究相应的测试方法。论文通过有限元分析得出电源模块内部薄弱环节，并利用PSpice 仿真得出了内部器件故障特征的确定方法。通过对输出波形的分析，实现了光电耦合器和MOS 管的故障诊断，结果显示光电耦合器对电路抗干扰的调节能力有较大影响。MOS 管对输出电压水平影响较大。论文通过电路仿真得到故障数据，利用Matlab 对数据进行分析，完成了DC-DC 电源模块故障诊断研究。
关键词
DC-DC 电源模块；有限元仿真；薄弱环节；电路仿真；故障诊断
中图分类号
TN86
DOI ：10.3969/j.issn.1672-9722.2021.04.002
Fault Diagnosis Method of DC-DC Power Module
GAO Huizhuang
CHEN Guang
CHEN Bo
LI Ruiyuan
（Aerospace Science &Industry Defense Technology R&T Center ，Beijing
100854）
Abstract
As the power supply of electronic systems ，DC-DC power modules are widely used in engineering equipment ，and
their degradation and fault conditions have attracted more and more attention.Many researches on DC-DC power modules tend to an ⁃alyze some of their internal components separately and study the corresponding test methods.In this paper ，the internal weak links of the power module are obtained through finite element analysis ，and the method of determining the characteristics of the internal device failure is obtained by PSpice simulation.Through the analysis of the output waveform ，the fault diagnosis of the photocoupler and MOS tube is realized ，and the result shows that the photocoupler has a great influence on the circuit 's anti-interference adjust ⁃ment ability.The MOS tube has a greater impact on the output voltage level.In this paper ，the fault data is obtained through circuit
simulation ，and the data is analyzed by Matlab ，and the fault diagnosis research of DC-DC power module is completed.
Key Words
DC-DC power module ，finite element simulation ，weak link ，circuit simulation ，fault diagnosis Class Number
TN86
第49卷
2
基于有限元的薄弱坏节识别
2.1
典型DC-DC 电源模块有限元建模
由于实际的DC-DC 电源模块内部比较复杂，
根据热分析与振动分析的需要，内部电阻在工作过程中不敏感，同时功率小，产热不大，在振动环境中不容易受到影响。综合考虑，主要器件为MOS 开关管、二极管、变压器、电感、电容与光电耦合器，同
时包括基板［5，9］
。
根据上面的分析，建立三维模型如图1
。
图1
DC-DC 电源模块模型
2.2
热仿真分析
2.2.1
热源参数设置
DC-DC 电源模块中主要发热元件为MOS 开关管，肖特基二极管，变压器与输出电感［9，13］
。下面对
所有器件发热进行情况进行分析。
1）MOS 开关管
MOSFET 主要参数包括漏极电流、阈值电压、
导通电阻、漏源击穿电压等［6］。开关管的总损耗包括通态损耗和开关损耗，由于MOS 的开关损耗较小，将开关管的开关损耗略去。MOSFET 的导通损耗P con 为
P con =I rms 2´R DS (on )
（1）
式中，
R DS (on )为MOSFET 的导通电阻；I rms 为电流有效值。本文中器件满载时，MOS 电流有效值为1.5A 。导通电阻为0.3Ω。因此MOS 平均损耗为0.675W 。
2）肖特基二极管
二极管的损耗包括通态损耗和反向恢复损耗，反向恢复损耗值较小，本文将其忽略。肖特基二极管的通态损耗P DR -on 为
P DR -on =
I 0
2V fp
（2）式中，为二极管正向导通压降；为二极管输出电
流。一般情况，肖特基二极管的正向压降约为0.7V ，输出电流约为0.6A 。计算可得SBD 的平均功率为P DR -on =0.21W 。
3）变压器
变压器相当于由两个多线圈的电感相互耦合
而成，包括初级和次级。在交流磁化过程中，变压器会发热，主要损耗包括三种：磁滞损耗（P h ）、涡流损耗（P e ）和剩余损耗（P c ），即：
P =P h +P e +P c
（3）
4）电感
由于绕线电阻的存在，电感器要消耗一定的能量。电感功耗的计算公式为
P =12
LI 2F （4）
其中，L 为电感值，I 为电流，F 为电路频率。根据DC-DC 电源模块相关数据资料，输出电感为3μH ，
电路频率为300kHz ，电流取A ，计算可得功耗为1.40625W ；输入电感电流变化小，损耗不计。
2.2.2
结果分析
求解温度场分析［7~8］，在25℃环境温度下结果
如图2（a ），温度最高为85.5℃左右，集中在MOS 管和输出电感处。
环境温度为50℃下结果如图2（b ），环境温度达到80℃时的结果如图2（c ）。50℃时最高温度为108.55℃，集中在MOS 管与输出电感以及二极管和
变压器上。80℃最高已经达到135.7℃。经过分析可知温度集中较高的是MOS 管和输出电感，二极
管与变压器也比较高。
（a
）
（b ）
高会壮等：DC-DC 电源模块故障诊断方法620
2021年第4期
计算机与数字工程（c ）
图225℃、50℃、80℃热分析结果
环境温度为80℃时，结构应力图如图3所示，最大应力1.27*10-9MPa ，主要集中在二极管、MOS
管和陶瓷与底座连接处。
图3
80℃热应力图
通过以上分析，可以认为在温度应力影响下，主要影响DC-DC 电源模块发生故障的器件是MOS 管、二极管、变压器与输出电感。
2.3振动仿真
电子设备在收到振动环境影响的情况下，可能
引起机械变形而产生损伤，或者发生疲劳断裂，受到过应力等产生裂纹。有些冲击和碰撞是瞬时作用，瞬时加速度很大，瞬间作用力也就很大，对质量较差的塑封元器件损害最大。同时对其中键合丝也有影响。
首先进行模态分析，模态分主要是对模块的固有频率进行分析。在振动分析之前，需要先进行模态分析，得到固有频率，在此基础上，施加振动量级PSD 曲线，计算最终结果。对DC-DC 电源模块进行6阶模态分析。在模态分析中，结构上不包含激励，结果是自由振动情况下的应变。本文研究的DC-DC 电源模块的应用主要为航空等国防装备领
域，在GJB l50对设备的随机振动环境做了规定，在根据其中表述的喷气式飞机振动环境设置PSD 数值，进行仿真，
结果如下。
图4
随机振动应变图
图5
随机振动应力图
由振动分析应变和应力图来看，当电源模块发生随机振动时易导致输出电感从底板脱落甚至损坏，导致电源模块损坏。光耦、MOS 管、PWM 芯片和二极管处形变量也很大，而微小的形变都将导致这些器件产生裂纹或与焊锡层脱离，导致其功能故障，对整个电源模块性能稳定性也将产生影响。
综合以上研究，结合实际失效案例中输入电感与电容和变压器失效情况非常少，最终确定影响DC-DC 电源模块失效情况的关键器件是：MOS 管、二极管、输出电感、光电耦合器以及PWM 控制芯片。
3
状态测试信号分析
3.1
敏感参数及仿真电路
根据热应力与振动应力仿真，结合实际应用中
的失效情况，确定关键器件为MOS 开关管、输出电感、输出电容、二极管和光电耦合器［14~15］。定义各器件状态如表1。
利用PSpice 建立仿真电路［10~11］，仿真电路输入电压30V ，输出电压5.86V 电路原理图如图6。
621
第49卷
表1
器件故障状态定义器件MOS 管输出电感输出电容光电耦合器二极管
参数连接状态Rds L C
CTR
连接状态
退化状态断路增大增大增大减小断路
短路-减小减小-
短路
图6
DC-DC 电源模块系统结构原理图
3.2
测试信号
3.2.1
输出端脉冲电流测试
设置仿真电路参数为向下电流脉冲500mA ，初
始电流为0，脉冲宽度100μs 。设置扫描参数为输出整流滤波中的电感L 值，正常值为10mH ，幅值为1.904V ，振荡个数N 为2。在正常值基础上分为四个模式，针对该电路设定正常输出为不低于正常输
出电压0.1V 为正常范围，仿真电路输出值为5.877V 。输出端电流脉冲情况下，输出电感对输出振荡信号个数无影响。如果输出电感断路则输出
为0，在脉冲输出时产生上上的尖峰达到3.081V 。
续流二极管断路和短路仿真结果如下。结果表明，续流二极管断路或者短路后，输出电压为0，当电流脉冲被注入时，短状态会有阻尼震荡曲线，
断路状态会产生脉冲尖刺。
图7
续流二极管故障状态仿真
结果显示，在输出整体为0的基础上，每到脉冲注入时会产生振荡。
稳压二极管短路和短路情况如图7。当电流脉冲被注入时，在短路状态下会有一个阻尼振荡曲模块电源故障
线，且与续流二极管短路状态不同的是在电路调整阶段无任何输出。在开路状态下输出表现为输出略大于0，
且会产生有一个尖峰脉冲。
图8稳压二极管故障状态仿真
在输出接近0的情况下，每到脉冲注入时产生突变。
通过以上分析，可以知道：输出端电流脉冲对
CTR 测试结果较好，同时也可以反应MOS 管和二极管的情况；对输出电感和输出电容情况也有反
映。
3.2.2
输入端直流测试
直流电源可以直接检测DC-DC 电源模块输出
是否符合标准。MOS 管的导通电阻增加，会造成输出电压降低。MOS 管断路则输出为0，短路输出需要在输入端设置一个防电源短路电阻，输出结果为0
。
图9MOS 管故障状态仿真
总结上述三种测试信号的影响，得到结果如下。重要器件为输出电感、输出电容光电耦合器、MOS 管、续流二极管和稳压二极管。
测试方法：
1）输出电感，输出电容都可以利用输出端施加脉冲电流信号进行测试，记录阻尼振荡波形；
2）光电耦合器通过在输出端施加脉冲电流信号，发现CTR 值对阻尼振荡次数N 影响明显；3）MOS 管
状态测试，可以利用直流电压测试方法记录输出电压值；
4）续流二极管和稳压二极管故障状态只有短
路和断路两种，直接利用输出端施加脉冲电流信
高会壮等：DC-DC 电源模块故障诊断方法
622
2021年第4期计算机与数字工程号，检测输出波形进行对比。
4基于输出电压波形的故障诊断
4.1光耦
光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。这是因为当CTR<50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF>5.0mA），才能正常
控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的
功耗。若CTR>200%，在启动电路或者当负载发生
突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常
输出［12］。一般规定半导体光电耦合器的CTR不得
低于额定值的20%。该仿真电路的光耦CTR额定
值为1.5，当光耦的CTR从1.0变化到3.0，输出结果
如表2。
表2光耦CTR变化仿真数据
CTR N 1.0
3
1.2
3
1.4
4
1.6
4
1.8
5
2.0
6
2.2
6
2.4
7
2.6
7
2.8
8
3.0
8
采用上节的仿真电路进行分析，当CTR为0时，
输出电压降为4.44V，N为1。数据散点图如图10
。
图10光耦CTR对阻尼振荡的影响
根据图中曲线，可知随着CTR的减小，振荡次数减小，这与前面瞬态分析结果CTRµN2结果总趋势相一致。当振荡次数为3以下时，表明该电路的光耦CTR已经低于0.8，小于额定值的20%，电路已经处于失效状态。
4.2MOS管
设置MOS管有三种故障模式，Rds（on）增大、击穿开路以及短路。所用IRF150型NMOS管模型中给定的R d为1.031mΩ，R d将会慢慢增大，导致最终电路失效。设置R d从0.001Ω~3Ω，利用直流电压测试，结果如表3（R d单位Ω，输出电压为V）。
数据折线图与经过曲线拟合的结果如图11所示。
拟合得到的公式为V
OUT
=4.5683e-2.029R d，R2=0.9944，拟合结果非常好。我们可以认为，随着R d的减小，输出电压V OUT成指数减小。针对MOS管断路与短路，则无输出。
表3MOS管R d变化仿真数据
R d
0.002
0.003
0.004
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.04
V OUT
5.86
4.94
4.91
4.86
4.83
4.80
4.78
4.71
4.67
4.62
R d
0.045
0.05
0.08
0.10
0.13
0.15
0.18
0.20
0.23
0.25
V OUT
4.58
4.55
4.22
3.96
3.60
3.39
3.10
2.92
2.69
2.53
R d
0.28
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
V OUT
2.34
2.23
1.97
1.75
1.57
1.41
1.27
1.15
1.04
0.96
R d
0.80
0.90
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.50
3.00
V OUT
0.80
0.67
0.56
0.41
0.29
0.21
0.14
0.09
0.03
0.01
图11MOS管故障输出特性
4.3二极管
续流二极管和稳压二极管故障状态只有两种，先利用直流电压测试，后用脉冲电流测试。续流二极管短路或者断路都将导致无任何输出。在直流电压下稳压二极管短路与定性分析中一致，输出电压在0V振荡。断路输出与定性分析中一致，电压为160mV左右。
振荡处为2.40V。断路结果整体为0V，有向上的突变电压。稳压二极管短路情况下，输出整体为0V，有振荡波形。断路结果整体为160mV，有向上的突变电压。
5结语
本文提出了提出一种基于波形分析的针对DC-DC电源模块故障模式识别方法。本文对DC-DC电源模块进行电路仿真分析，得到测试信号的类型与施加方式，并确定了各内部器件在不同测试信号下的响应情况。通过对输出电压波形的分析，根据阻尼震荡次数确定反馈回路中光电耦合器的故障状态。同时根据输出电压值判断MOS管的导通电阻情况，另外也对续流二极管和稳压二极管的故障状态进行了仿真分析。得到结论：光电耦
623

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