中心議題：

• 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關係
• 元件溫度性能對模塊溫度特性的影響

摘要：
為(wei)了(le)得(de)到(dao)一(yi)款(kuan)軍(jun)品(pin)級(ji)模(mo)塊(kuai)因(yin)為(wei)導(dao)致(zhi)高(gao)溫(wen)失(shi)效(xiao)的(de)原(yuan)因(yin)，通(tong)過(guo)對(dui)模(mo)塊(kuai)內(nei)部(bu)元(yuan)件(jian)加(jia)熱(re)測(ce)試(shi)

，觀(guan)測(ce)模(mo)塊(kuai)電(dian)學(xue)參(can)數(shu)的(de)變(bian)化(hua)
，並(bing)與(yu)模(mo)塊(kuai)整(zheng)體(ti)加(jia)熱(re)電(dian)學(xue)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)的(de)結(jie)果(guo)做(zuo)比(bi)較(jiao)。得(de)到(dao)影(ying)響(xiang)模(mo)塊(kuai)輸(shu)出(chu)電(dian)學(xue)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)的(de)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)元(yuan)件(jian)，同(tong)時(shi)對(dui)該(gai)元(yuan)件(jian)特(te)性(xing)分(fen)析(xi)
，獲(huo)得(de)元(yuan)件(jian)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)失(shi)效(xiao)的(de)原(yuan)理(li)。測得其輸出電壓隨環境溫度的上升
，而緩慢下降的主要原因來自於光耦的溫度特性。環境溫度達到150℃左右時
，模塊內變壓器磁芯溫度將達到居裏點附近，使模塊輸出電壓幾乎為零。

引言

DC⁄DC 電源模塊（以下簡稱模塊），是一種運用功率半導體開關器件實現DC⁄DC功率變換的開關電源。它廣泛應用於遠程及數據通信、計算機、辦公自動化設備
、工業儀器儀表、軍事

、航(hang)天(tian)等(deng)領(ling)域(yu)，涉(she)及(ji)到(dao)國(guo)民(min)經(jing)濟(ji)的(de)各(ge)行(xing)各(ge)業(ye)，並(bing)在(zai)遠(yuan)程(cheng)和(he)數(shu)字(zi)通(tong)信(xin)領(ling)域(yu)有(you)著(zhe)廣(guang)闊(kuo)的(de)應(ying)用(yong)前(qian)景(jing)。隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)高(gao)速(su)發(fa)展(zhan)，開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)越(yue)來(lai)越(yue)廣(guang)泛(fan)
，所(suo)工(gong)作(zuo)的(de)環(huan)境(jing)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)惡(e)劣(lie)，統(tong)計(ji)資(zi)料(liao)表(biao)明(ming)，電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)溫(wen)度(du)每(mei)升(sheng)高(gao)2℃
，可靠性下降10%
，溫升為50℃時的壽命隻有溫升25℃時的1⁄6。本文所研究的電源模塊是中電集團第四十三所研製的廣泛用於軍工的一款高性能DC⁄DC 電源模塊。與Interpoint 的MHF2815S+ 相比，具有輸出效率高，產生熱量少，抗浪湧能力高等優點。

在DC⁄DC 電源模塊電源結構中主要的元器件有： 脈寬調製器（控製轉換效率）、光電耦合器（輸入與輸出隔離
，避免前後級幹擾，並傳遞取樣信息給PWM, 保持輸出電壓的穩定）

、VDMOS（功率轉換部件
，利用其良好的開關特性提高轉換效率）和肖特基二極管（整流以及濾波，是功率輸出的主要部件）。 　　

1 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關係 　　

為了摸清電源模塊電學參數隨溫度變化的情況，首先對電源模塊整體進行加熱，測試其輸入電流

、輸出電流、輸出電壓（Vout）電學參數，試驗條件：保持輸入電壓28 V
，輸出負載15Ω ，輸出電流1 A；測ce試shi輸shu入ru電dian流liu與yu輸shu出chu電dian壓ya隨sui溫wen度du的de變bian化hua。發fa現xian模mo塊kuai的de輸shu出chu電dian壓ya有you較jiao明ming顯xian的de下xia降jiang
，輸shu入ru電dian流liu，輸shu出chu電dian流liu的de變bian化hua趨qu勢shi不bu是shi很hen明ming顯xian，其qi變bian化hua趨qu勢shi是shi伴ban隨sui著zhe溫wen度du的de升sheng高gao，電dian源yuan模mo塊kuai的de電dian壓ya逐zhu漸jian減jian小xiao，而er且qie趨qu勢shi非fei常chang明ming顯xian，從cong圖tu1 中可見，加熱溫度在50℃
，V out 為14.98 V；溫度為142℃ 時，Vout 降為14.90 V。此(ci)外(wai)，因(yin)為(wei)模(mo)塊(kuai)的(de)效(xiao)率(lv)是(shi)其(qi)性(xing)能(neng)的(de)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)，當(dang)效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)到(dao)一(yi)定(ding)數(shu)值(zhi)
，模(mo)塊(kuai)也(ye)會(hui)因(yin)為(wei)產(chan)生(sheng)熱(re)量(liang)過(guo)多(duo)而(er)失(shi)效(xiao)。為(wei)此(ci)計(ji)算(suan)了(le)該(gai)試(shi)驗(yan)條(tiao)件(jian)下(xia)模(mo)塊(kuai)效(xiao)率(lv)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)，從(cong)圖(tu)2 可(ke)見(jian)模(mo)塊(kuai)的(de)效(xiao)率(lv)
，隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)
，變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)更(geng)加(jia)明(ming)顯(xian)，開(kai)始(shi)較(jiao)為(wei)緩(huan)慢(man)
，隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)而(er)逐(zhu)漸(jian)加(jia)快(kuai)，呈(cheng)現(xian)玻(bo)爾(er)茲(zi)曼(man)指(zhi)數(shu)分(fen)布(bu)。在(zai)測(ce)試(shi)中(zhong)發(fa)現(xian)當(dang)溫(wen)度(du)升(sheng)到(dao)150℃，模塊輸出電壓為零。

圖1 電源模塊Vout 與溫度T 的關係

圖2 電源模塊效率η 與溫度T 的關係[page]　

為了尋找導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
，根據模塊的電路，選擇相應的元件搭建電路
， gaidianlujingguoceshikeyiwanchengmokuaidesuoyougongneng，tongshiyinweifeijichenghua，keyiduiqiyuanjiandanduceshi，bimianlejichengyuanjianyinchicuntaixiaoernanyiceshidetiaojian。xiamianduidianyuanmokuaizhongdezhongyaodeyuanjiandandujiare
，ceshiqidiancanshusuiwendudebianhua
，tongshiceshidianluV ou t 的變化。
　
2 元件溫度性能對模塊溫度特性的影響 　　

2.1 變壓器 　　
變bian壓ya器qi在zai中zhong不bu僅jin能neng傳chuan遞di能neng量liang，同tong時shi還hai起qi到dao了le電dian氣qi隔ge離li的de作zuo用yong，變bian壓ya器qi的de原yuan邊bian與yu副fu邊bian線xian圈quan匝za數shu比bi的de不bu同tong可ke以yi達da到dao升sheng壓ya或huo降jiang壓ya的de作zuo用yong。在zai模mo塊kuai工gong作zuo狀zhuang態tai下xia，由you於yu磁ci芯xin的de渦wo流liu效xiao應ying，變bian壓ya器qi會hui產chan生sheng很hen多duo的de熱re量liang
，成cheng為wei模mo塊kuai熱re量liang產chan生sheng的de主zhu要yao來lai源yuan。實shi驗yan中zhong首shou先xian測ce試shi了le變bian壓ya器qi原yuan邊bian和he副fu邊bian線xian圈quan的de電dian感gan量liang隨sui溫wen度du的de變bian化hua

，如ru圖tu3 所示，從圖3 中可見隨著溫度的升高，線圈的電感量先增加，然後小幅下降，再小幅上升
，在環境溫度為220℃ 以前，變壓器的原邊與副本電感量的整體趨勢是逐漸增加
，當溫度達到220℃，磁(ci)芯(xin)溫(wen)度(du)達(da)到(dao)居(ju)裏(li)點(dian)

，線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)迅(xun)速(su)降(jiang)為(wei)零(ling)。對(dui)於(yu)不(bu)同(tong)磁(ci)芯(xin)材(cai)料(liao)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)其(qi)居(ju)裏(li)點(dian)溫(wen)度(du)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)，對(dui)於(yu)此(ci)類(lei)變(bian)壓(ya)器(qi)
，可(ke)知(zhi)居(ju)裏(li)溫(wen)度(du)在(zai)220℃附近。當變壓器溫度接近居裏點時
，變壓器電感量會迅速減小
，會導致輸出電壓迅速下降。

實(shi)驗(yan)中(zhong)還(hai)測(ce)試(shi)了(le)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)的(de)其(qi)他(ta)電(dian)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)。在(zai)整(zheng)個(ge)加(jia)熱(re)階(jie)段(duan)，其(qi)他(ta)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)很(hen)小(xiao)，與(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)電(dian)感(gan)量(liang)變(bian)化(hua)相(xiang)比(bi)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)。而(er)且(qie)在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)電(dian)感(gan)量(liang)下(xia)降(jiang)的(de)階(jie)段(duan)，其(qi)他(ta)電(dian)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)變(bian)化(hua)仍(reng)然(ran)較(jiao)小(xiao)。

weilexiaozhenghuanjingwenduyumokuaiyinzishengreshenggaodewendu
，xuanzeyimokuai，jiangmokuaiwaikechuankong，bingjiangganwenxianfangdaobianyaqideyuankongneibu，ceshibianyaqidewendu，tongguoduiceshishujuchuli，dedaobianyaqiwenduyuhuanjingwendudeguanxihanshu：y=1.18x +13。可見變壓器的溫度遠高於電源模塊的工作溫度。

當環境溫度為150℃，感溫線測試的結果約190℃，由you於yu感gan溫wen線xian測ce試shi點dian是shi變bian壓ya器qi圓yuan孔kong內nei部bu的de空kong氣qi，不bu是shi變bian壓ya器qi的de磁ci芯xin溫wen度du

，因yin此ci感gan溫wen線xian的de測ce量liang結jie果guo比bi實shi際ji的de變bian壓ya器qi的de溫wen度du要yao低di很hen多duo
，由you此ci可ke以yi判pan斷duan變bian壓ya器qi的de磁ci芯xin溫wen度du將jiang接jie近jin居ju裏li點dian，因yin此ci當dang模mo塊kuai的de環huan境jing溫wen度du超chao過guo150℃時，模塊中變壓器的溫度將達到變壓器磁芯的居裏點溫度，此時模塊的輸出電壓幾乎為零。

圖3 變壓器電感量L 與溫度T 的關係 　　

2.2 脈寬調製解調器（PWM） 　　
PWM 的主要功能是根據輸出反饋
，調節脈衝波形的占空比

，並驅動功率器件，從而得到穩定的直流輸出電壓。

在該型號電源模塊中，PWMSG3524 的功能是提供兩路方波信號給三極管和VDMOS，並根據方波信號的寬度控製VDMOS 的導通與關斷時間。在此試驗中，對電路工作狀態的PWMSG3524 單獨加溫，並測試輸出方波信號與溫度的關係
， 測得波形沒有明顯變化；在加溫的同時對模塊的輸入、輸出電流電壓進行記錄，發現隨著PWM 所在環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 導致電參數變化與模塊整體加熱電參數相比可以忽略。證明PWMSG3524 對模塊的溫度特性影響較小。

2.3 VDMOS 　　
VDMOS（垂直雙擴散場效應晶體管）在模塊電路中作為開關器件，在感性負載下工作，承受高尖峰電壓和大電流，具有較高的開關損耗和溫升，其開關頻率可高達130 kHz, 在這樣高的頻率下工作，可能引起內部多種退化機製， 導致VDMOS 的性能下降
，甚至失效。

在本實驗中對模塊中的VDMOS 單獨加溫
，測試模塊電學參數的變化
，通過測試得到當溫度到180℃時，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。此外計算模塊的輸出效率，判斷模塊是否處在正常工作狀態，通過計算可到對VDMOS 單獨加熱到180℃ 時，模塊的輸入電流迅速增加。而當溫度升至220℃
，輸出電壓幾乎沒有變化，由於模塊在150℃已經失效，而此時單獨加熱溫度已經高達180℃
，遠高於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。 　　
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2.4 二極管（ SBD） 　　
在模塊中使用的二極管有穩壓二極管，整流二極管，其中整流二極管在電壓轉換過程中扮演了重要的角色。在變壓器的輸出端， 兩個整流二極管在不同時段導通，使交流脈動電壓轉換為直流脈動。在本實驗中，對電路中的SBD 單獨加熱
，發現隨著溫度的升高，模塊的輸出電壓沒有較明顯的變化。因此模塊在高溫工作的環境下，SBD 不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素。 　　

2.5 光電耦合器 　　
光電耦合器（以下簡稱光耦）以光為媒介傳輸電信號。它對輸入，輸出電信號有良好的隔離作用。光耦一般由3 部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（ LED），使之發出一定波長的光，它被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大後輸出。這就完成了電-光-電的轉換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由於光耦輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗幹擾能力。

在模塊中

，光耦作為隔離輸入、輸出的重要部件，同時將輸出端比較放大器輸出的電流信號傳輸到PWM的9 腳
，而9 腳是PWM 的補償端，它與比較器的反向輸入端相連，控製PWM 的11 腳和14 腳輸出脈衝的寬度。從而調整模塊的輸出電壓保持穩定。

在本實驗中，首先測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係數隨溫度的變化，輸入端所加電流為11 mA
，結果表明在25 時，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%
，結果如圖4 所示。

圖4 光耦電流傳輸比與溫度T 的關係

然後對工作狀態中模塊的光耦單獨加熱（模塊光耦較大，可取下焊線後單獨加熱）
，測量模塊的輸出電壓，見圖5。faxiansuizhewendudeshenggao，mokuaidianyazhujianxiajiang
，qieyumokuaizhengtijiareshicededeshuchudianyasuiwendushangshengerxiajiangqushijibenfuhe。tongguofenxikezhi，suizhehuanjingwendudeshenggao，dianyuanmokuaigeyuanjiandegonghaozengjia，jiangdaozhimokuaideshuchudianyadexiajiang，cishiyingdangtongguoguangoulianjiedefankuidianlu，shidePWM輸出的脈寬增加
，提高輸出端的電壓，但是由於光電耦合器的傳輸效率下降
，不能完全將負反饋的結果傳輸給PWM。使得PWM 輸出脈寬比實際較窄
， 即電壓調整能力降低
，使輸出電壓隨環境溫度上升而下降。

圖5 輸出電壓與光耦溫度T 的關係 　　

3 結 語 　　

綜上所述，模塊溫度特性表現為：在溫度小於150 的時候，模塊的輸出電壓緩慢下降，原因是由於光耦電流傳輸比的下降引起
；當溫度大於150 時，電源模塊輸出電壓迅速下降，甚至輸出電壓幾乎為零，其原因是此時模塊中變壓器的磁芯溫度接近居裏點溫度（220）。變(bian)壓(ya)器(qi)作(zuo)用(yong)失(shi)效(xiao)所(suo)引(yin)起(qi)。在(zai)此(ci)情(qing)況(kuang)中(zhong)，如(ru)果(guo)模(mo)塊(kuai)內(nei)部(bu)沒(mei)有(you)產(chan)生(sheng)其(qi)他(ta)的(de)損(sun)傷(shang)，當(dang)停(ting)止(zhi)加(jia)熱(re)，模(mo)塊(kuai)溫(wen)度(du)恢(hui)複(fu)到(dao)室(shi)溫(wen)

，模(mo)塊(kuai)重(zhong)新(xin)加(jia)電(dian)，模(mo)塊(kuai)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)仍(reng)能(neng)恢(hui)複(fu)到(dao)正(zheng)常(chang)值(zhi)。然(ran)而(er)，對(dui)於(yu)本(ben)實(shi)驗(yan)中(zhong)測(ce)試(shi)的(de)模(mo)塊(kuai)，當(dang)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)150 zuoyoushi，youyumokuaibianyaqidecixinwendudadaojulidian，shicixinwendushenggao，gaizhengfankuihuishicixinwenduxunsushenggao，chanshengdereliangyegengduo，zaochengmokuaineibuqitaqijiandesunhuai
，henrongyizaochengmokuaideyongjiusunhui。