一种DC/DC变换器输出异常的故障分析

一种DC/DC变换器输出异常的故障分析

何妮

陕西华经微电子股份有限公司 微电路事业部 陕西西安 710065

摘要：分析DC/DC变换器产品中出现输出异常的故障，详细介绍了该产品的技术指标、电路原理、故障分析过程、措施和结论等问题。

关键词：DC/DC变换器；输出异常；电压跌落

0.引言

某批次成熟的DC/DC变换器产品交付用户后，用户在调试过程中个别产品出现了输出短时电压跌落的故障现象。本文主要分析该故障现象，找出故障原因，采取措施避免类似现象再次发生。

1.概述

该DC/DC电源模块，由3组独立的电源线路组成。输出1路+5V±0.1V和输出4路+15.00V±0.3 V 为独立的电源线路，输出2路+15.00V±0.3 V和输出3路-15.00V±0.3V采用跟随式电路，正路受控，负路跟随正路。3组电源线路基本相同均采用单端反激式模式，用光耦隔离反馈来实现设计要求。原理图见图1。

图1电路原理图

该DC/DC变换器采用UC公司的脉宽调制器组成振荡电路控制MOS场效应管，输入宽范围电压经变压、整流、稳压、滤波、输出稳定的电压。反馈电路由取样、放大和调整电路组成，通过光电耦合器控制脉宽调制器的反馈端。当输出电压VO发生变化时，R09、R010取样电压也发生变化，此电压输入基准源IC8，与IC8内部的基准电压相比较，经过高倍误差放大，转换为电流，作用于光耦IC5，再经IC5内部隔离反馈，通过改变PWM调制器IC2的脉宽，调整功率开关管的导通占空比，从而达到稳定电压的目的。

2.故障描述和分析

该产品交付用户后，用户反馈一只电源模块在进行试验时+5V出现输出掉压至3.5V左右，掉压时间为2ms左右。

2.1 故障产品出厂原因分析

收到故障产品后，首先对故障产品的各引腿和壳体进行清理，对故障产品进行PIND和X光检测试验，主要是排查电源模块内部有无明显器件脱落、移位及焊点脱焊情况等。PIND检测合格，X光检查，未发现明显故障。对该只故障产品进行加电测试，各路输出负载电流均为用户实际使用情况，+5V/200mA、±15V/10mA、+15V/80mA，使用示波器和数字万用表对产品的各输出端进行监测，加电10分钟后故障复现，输出+5V出现掉压现象，+5V掉压至3V左右，时间2ms左右，数字万用表检测输出+5V交流有效值瞬间变大，又快速恢复正常。其他各路输出均正常。

产品在出厂前要经过多次高低温测试，每次测试时间不超过两分钟，输出电压值是用数字万用表进行监测，本次掉压现象，时间大概两毫秒左右，数字万用表显示的输出电压无法显示异常，检测不到掉压现象。产品出现掉压现象是无规律断续的状态，导致在短时间测试监测不到有效值异常的现象。未能及时将不合格品检测识别出来从而流入到用户处。

2.2 产品故障原因分析

首先对本次故障产品生产批次所使用的所有元器件、相关文件、生产过程、测试记录、检验过程等进行了逐一检查，均符合要求，未发现异常。

随后对故障产品在正常加电测试的基础上，将产品放进烘箱，对烘箱温度进行调节，从30℃~60℃进行变化，输出+5V的负载电流从0mA（空载）至700mA（满载）进行变化，输出+5V均无规律间隔出现相同故障。试验过程中带电调整负载或开关烘箱门都容易触发故障现象，也就是说产品本身工作不稳定，对外界的干扰很敏感。

对产品进行开壳，在显微镜下对产品进行仔细观察分析，产品内部各元器件表面状态、位置均无异常。单独检测产品的核心器件脉宽调制器IC2，在显微镜下对集成电路IC2的表面进行观察分析，集成电路表面无损伤、无异物，键合点正常。加电测试IC2各脚输出电压，3脚电压为0.9V左右，正常应为0.6V左右，有异常，其余各脚电压正常，需要检查IC2外围电路情况进一步确认。

对照金丝键合图纸，在显微镜下检查所有金丝键合状态，对控制电路部分金丝重点排查，发现产品内部控制电路部分一处金丝键合位置错误，金丝键合位置错误和金丝键合位置正确对比见图2。

            图2 金丝键合位置错误与正确对比图

用一块正常产品模拟故障产品，将三极管V3的e极金丝进行相同的错误压焊，加电一段时间后，+5V输出出现掉压现象，电压掉至3V左右，时间2ms左右。加电测试IC2各脚输出电压，3脚电压为0.9V左右，正常应为0.6V左右，有异常，其余各脚电压正常，与故障产品测试情况相同。

如图2所示，IC2是电流模式PWM控制器，其占空比为100%，采用斜率补偿电路用以消除峰值到平均值的电流误差，稳定电路工作。图中V3、R07和C06组成斜率补偿电路，其中IC2的8脚是5V基准， IC2的4脚振荡三角波经NPN电压跟随器（V3）驱动斜坡补偿电阻R07（阻值10KΩ）向C06(容值100pF)提供斜坡补偿电流。

图3   IC2( UCC1800)内部结构图

如图3所示，IC2的3脚是CS端，是IC2内部PWM比较器和过流比较器的输入端，PWM比较器阈值为1V电平，过流比较器阈值为1.5V电平。设计时，3脚波形峰值取决于主回路峰值电流检测电阻的值。

峰值电流检测电阻=阈值1V/主回路峰值电流

根据负载电流、振荡频率、变压器匝比、占空比等计算输入28V时，主回路峰值电流约为1.07A ，则峰值电流取样电阻（R01、R02）理论值=1V/1.07A=0.93Ω,经调试，取样电阻设置为0.75Ω，+5V带载700mA正常工作情况下3脚峰值在0.6V左右，余量足够。当斜坡补偿电阻因键合错误直接被短路没有限流会造成3脚峰值变大，电路工作不稳定，当峰值超过阈值时，触发了控制功能，导致故障现象。

在确认故障现象后，人为制造了2块金丝键合错误产品和故障产品共3只进行全面试验。根据试验结果分析，在相同条件下，金丝键合正确的正常产品工作状态稳定，不会出现掉压现象

根据以上测试结果分析，加电时，故障产品中IC2的3脚电压在0.8V~0.9V之间，接近PWM比较器内部阈值1V电平，金丝键合错误抬高了IC2的3脚电压，接近电路临界控制点，产品在加电工作过程中受到负载变化、输入电压变化等外界因素的干扰，导致IC2的3脚瞬间电压大于1V，触发3脚的保护，最终造成本次故障。

3.措施

针对本次故障现象，为了有效的杜绝类似问题发生，采取以下措施：

在产品设计图纸玻璃图增加阻焊层，将测试点用阻焊层覆盖，规避操作工金丝键合错误；购置适合该产品采集测试的专业设备，对产品进行全方位、多角度检测，确保无遗漏；已购置全自动键合机，将该产品的人工键合转为全自动键合，彻底杜绝键合错误。

4.结论

该电源模块产品出现的5V输出掉压现象是由于内部斜率补偿电路NPN跟随器射极金丝键合错误，误键合到预留的测试点上导致。

通过分析该电源模块输出+5V掉压的故障，进一步理解了该电路的工作原理，同时也对产品的生产过程控制起到警示作用，对质量控制提出了更高要求。

参考文献：

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