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1、开关电源的技术现状及失效分析,一、开关电源技术现状 二、开关电源失效分析,一、开关电源技术现状(1)开关电源的发展方向及技术趋势(2)开关电源基本拓朴(3)常用电路结构(4)功率因数校正技术(5)开关电源常用PWM控制模式(6)同步整流简介,二、开关电源失效分析(1)概述(2)整机失效分析(3)器件失效模式及分析,(1)开关电源的发展方向及技术趋势 开关电源体积小、重量轻、变换效率高，广泛应用于计算机、通信设备、控制装置及家用电器等电子设备中。目前，各国正在努力开发新器件、新材料，进一步提高效率、缩小体积、降低价格。发展方向：1）输入电压通用 2）扩大输出电压范围 3）提高输入侧功率因数相关技
2、术发展：1）SMT及自动化生产技术的应用，专用集成电路的发展技术2）软开关技术 3）电源系统的管理控制智能化 4）CAD技术的应用。,(2)开关电源基本拓朴1)降压变换器BUCK2)升压变换器BOOST3)升降压变换器BUCK-BOOST,基本数量关系负载电压平均值 tonV通的时间 toffV断的时间-导通占空比 Uo最大为E，减小占空比，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。负载电流平均值：,降压变换器电路的原理图及波形a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形,降压变换器BUCK,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量 相等：化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故称
3、该电路为升压变换器,升压变换器BOOST,升压变换器工作原理（boost变换器）假设L值很大，C值也很大；V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为,升压变换器电路及其工作波形a）电路图 b）波形,升压变换器BOOST,1.升降压斩波电路设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。基本工作原理V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向
4、负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，同时向C充电，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。,升降压电路及其波形a）电路图 b）波形,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即：当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：所以输出电压为：,升压变换器BOOST,改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0 1/2时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter）。图中给出了电源电流
5、i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有:,升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,升压变换器BOOST,(3)常用电路结构 1)反激变换器Flyback 2)正激变换器Forward 3)半桥变换器Half-Bridge 4)全桥变换器Full-Bridge,反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程：S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为：,反激电路原理图,反激电路的理想化波形,反激变换器Fl
6、yback,反激电路的工作模式：电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。输出电压关系：电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降到零。输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，因此反激电路不应工作于负载开路状态。,反激变换器Flyback,正激变换器Forward,电路的工作过程开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为。
7、,变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。,正激变换器Forward,变压器的磁心复位时间为 输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，,正激变换器Forward,半桥电路原理图,半桥电路的理想化波形,半桥变换器Half-Bridge,工作过程：S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，
8、就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,半桥变换器Half-Bridge,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。输出电压：当滤波电感L的电流连续时：如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于
9、上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，。,半桥变换器Half-Bridge,全桥电路原理图,全桥电路的理想化波形,全桥变换器Full-Bridge,工作过程：全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。如果S1、S
10、4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。,全桥变换器Full-Bridge,输出电压：滤波电感电流连续时：输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，,全桥变换器Full-Bridge,(4)功率因数校正技术PFC1)概述2)无源功率因数校正Passive PFC3)有源功率因数校正技术Active PFC,1)概述 随着电力电子技术的发展,从上世纪五六十年代开始,由于电力电子装
11、置的大量出现和在工业及日常生活的应用,如整流装置、高频焊机、电子镇流器等接到交流电网时，电网电流将产生非正弦畸变和高次谐波，影响其他用电设备、通信等正常运行，严重时还影响到发电设备的安全运行，为此，国际电工委员会已制定了相关的标准IEC1000-3-2，该标准对用电装置输入波形失真度和功率因数都作了明确的具体限制。功率因数定义为：有功功率与视在功率的比值 PFC（Power Factor Correction，功率因数校正器）电路根据工作方式可分为两大类，即无源PFC电路(也称被动式PFC电路)和有源PFC电路(也称主动式PFC电路)。,1)概述下图按IEC1000-3-2的分类法给出了功率电
12、子装置的4种分类等级：A，B，C，和D。对于这4种不同的等级，分别有相应的各次谐波限制。IEC标准规定，输出功率在75600W的电子装置都要满足ClassD，对于这类设备不仅在满载时要满足ClassD，而且在输入功率=75W时也要满足ClassD；而对于照明装置的要求更加严格，要求它满足ClassC。,2)无源功率因数校正Passive PFC无源技术，是接入L、C网络，只能对某些特定的谐波进行抑制和基波移相补偿。这种方法最早是用于电力系统，但体积和质量都很大。对于我们开关电源来说，无源PFC电路一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，在交流电源进线或整流桥
13、与滤波用的200V电容之间直接串联电感，同时改造开关电路的校正，一般在高压滤波电容附近，是一个较大的工频电感，它最大好处就是所需线路简单，生产成本较低。被动式PFC的能源转换效率不高，容易产生工频震动和噪音等问题。如下图所示,2)有源功率因数校正技术Active PFC随着电力电子电子技术的发展，对消除谐波提出了另外的对策：在负载即电力电子装置本身的整流器和滤波电容之间增加一个功率变换电路，这就是有源功率因数校正（Active Power Factor Correction,简称APFC）电路。它能将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，从而将电网功率因数提高
14、到近似为1。下图为在DC-DC主变换与交流整流之间插入了一级Boost变换器来实现APFC的电路简图。,2)有源功率因数校正技术Active PFCPFC整流器的控制策略 理论上电力电子电路的几种基本拓扑结构（Buck、Boost、Buck-boost、Sepic、Cuk）原则上都可以构成PFC，但使用Boost电路有一些独特优点，如下：1、输入电流连续，EMI小，RFI低。2、有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击。3、输出电压大于输入电压峰值，对市电电压为100V（AC）的国家和地区特别合适。例如，输入90132V交流，输出直流电压约为200V；若输入为90
15、264V交流，直流输出将为400V。4、开关器件S的电压不超过输出电压值。5、容易驱动功率开关，其参考端点的电位为0V。6、可在国际国际标准规定的输入电压和频率广泛变化范围内保持正常工作。缺点：1、输入、输出之间没有绝缘隔离。2、在开关S、二极管D和输出电容形成的回路中若有杂散电感，则在25100KHz的PWM频率下，容易产生危险的过电压，对开关S的安全运行不利。,2)有源功率因数校正技术Active PFCPFC整流器的常用控制方式 PFC的常用控制方式为峰值电流控制（临界电流控制）、滞环电流控制（也称滞后电流控制）、平均电流控制。滞环电流型：滞环电流控制的输入电流波形如下图所示：开关导通时
16、电感电流上升，上升到上限阈值时，滞环比较器输出低电平，开关管关断，电感电流下降；下降到下限阈值时，滞环比较器输出高电平，开关管导通，电感电流上升，如此周而复始地工作，其中取样电流来自电感电流。特点：结构简单，实现容易，具有很强的快速动态响应能力。开关频率不固定，滤波器设计困难。目前，关于滞环电流控制改进方案的研究还很活跃，目的在于实现恒频控制。将其他控制方法与滞环电流控制相结合是SPWM电流变换器电流控制策略的发展方向之一。,PFC整流器的常用控制方式 平均电流控制模式：平均电流控制的输入电流波形如下图所示。平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当
17、其和小于基准电流时，开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。THD(5)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化，能够引起低次电流谐波。,PFC整流器的常用控制方式 峰值电流模式：工作频率变化,Boost电路工作在电感电流临界连续的状态,因此，Boost控制功能部分的电流环必须同时实现电流的峰值检测和零电流检测，零电流检测控制了PWM脉冲的前沿，峰值电流检测是满足乘法器输出指令电流的要求，实现脉宽电流限制（cycle
18、-by-cycle Current limiting),控制了PWM脉冲的后沿。峰值电流控制的输入电流波形如下图所示，开关管在恒定的时钟周期导通，当输入电流上升到基准电流时，开关管关断。采样电流来自开关电流或电感电流。峰值电流控制主要特点：1、实现容易；2、电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD很小的要求；3、电流峰值对噪声敏感；4、开关管通态电流较大；5、对二极管反向恢复时间要求不高。,(5)开关电源常用PWM控制模式1)概述2)电压模式 3)峰值电流模式 4)平均电流模式,1)概述 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进
19、行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术.PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关
20、频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。现在主要有电压模式、峰值电流模式、平均电流模式、滞环电流模式、相加模式五种PWM反馈控制模式,我们这里主要介绍电压模式、峰值电流模式、平均电流模式。,(5)开关电源常用PWM控制模式2)电压模式,左图是BUCK降压斩波器的电压模式控制PWM反馈系统原理图。电压模式控制PWM是60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至
21、今仍然在工业界很好地被广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度，如左图中波形所示。,(5)开关电源常用PWM控制模式2)电压模式,电压模式中逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容C及电感L相移延延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。,(5)开关电源常用PWM控制模
22、式2)电压模式,电压模式控制的优点：PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好；单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调节。缺点：对输入电压的变化动态响应较慢；补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿；在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂。,(5)开关电源常用PWM控制模式3)峰值电流模式,峰值电流模式控制简称电流模式控制。它的概念在60年代后期来源于
23、具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。直至80年代初期，第一批电流模式控制PWM集成电路（UC3842、UC3846）的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。如左图所示，误差电压信号 Ue 送至PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号U比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。,(5)开
24、关电源常用PWM控制模式3)峰值电流模式,电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明，将电感电流下斜坡斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜坡上，可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流,(5)开关电源常用PWM控制模式3)峰值电流模式 峰值电流模式控制
25、PWM是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路。由于这些，峰值电流模式控制PWM具有比起电压模式控制大得多的带宽。峰值电流模式控制PWM的优点:暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；控制环易于设计；输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美；简单自动的磁通平衡功能；瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能；自动均流并联功能。缺点：占空比大于50%的
26、开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；闭环响应不如平均电流模式控制理想；容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿；对噪声敏感，抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号的上斜坡通常较小，电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡；电路拓扑受限制；,(5)开关电源常用PWM控制模式4)平均电流模式,平均电流模式控制概念产生于70年代后期。平均电流模式控制 PWM集成电路出现在90年代初期，成熟应用于90年代后期的高速CPU专用的具有高di/dt
27、动态响应供电能力的低电压大电流开关电源。左图所示为平均电流模式控制PWM的原理图。将误差电压Ue接至电流误差信号放大器(c/a)的同相端，作为输出电感电流的控制编程电压信号Ucp（U current-program）。带有锯齿纹波状分量的输出电感电流信号Ui接至电流误差信号放大器(c/a)的反相端，代表跟踪电流编程信号Ucp的实际电感平均电流。,(5)开关电源常用PWM控制模式4)平均电流模式,Ui与Ucp的差值经过电流放大器(c/a)放大后，得到平均电流跟踪误差信号Uca。再由Uca及三角锯齿波信号UT或Us通过比较器比较得到PWM关断时刻。Uca的波形与电流波形Ui反相，所以，是由Uca的
28、下斜坡（对应于开关器件导通时期）与三角波UT或Us的上斜坡比较产生关断信号。显然，这就无形中增加了一定的斜坡补偿。为了避免次谐波振荡，Uca的上斜坡不能超过三角锯齿波信号UT或Us的上斜坡。,(5)开关电源常用PWM控制模式4)平均电流模式 平均电流模式控制的优点是：平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号；不需要斜坡补偿；调试好的电路抗噪声性能优越；适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；易于实现均流。缺点是：电流放大器在开关频率处的增益有最大限制；双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。目前APFC中CCM模式IC多采用此控制模式，典型的控制IC有TI的UCC3854、UCC38
29、18；INFINEON的TDA16888（PFC和PWM二合一）、1PCS01；CMC的CM6800；ST的L4981等。,(6)同步整流简介1)概述2)它激式同步整流技术3)自激式同步整流技术,(6)同步整流简介1)概述 近年来电子技术的发展使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗但也给电源设计提出了新的难题。开关电源的损耗主要由以下部分组成：功率开关管的损耗、高频变压器的损耗、输出端整流管的损耗。在低电压大电流输出的情况下整流二极管的导通压降较高输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（SRD）可达1.01.2V，即使采用低
30、压降的肖特基二极管（SBD），也会产生大约0.6V的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。举例说明，目前笔记本电脑普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供电电压，所消耗的电流可达20A。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50。即使采用肖特基二极管，整流管上的损耗也会达到（1840）PO，占电源总损耗的60以上。因此，传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要，成为制约DCDC变换器提高效率的瓶颈。,(6)同步整流简介1)概述 同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOS，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DCDC
31、变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。单端正激、隔离式降压同步整流器的基本原理如下图所示，V1及V2为功率MOSFET，在次级电压的正半周，V1导通，V2关断，V1起整流作用；在次级电压的负半周，V1关断，V2导通，V2起到续流作用。同步整流电路的功率损耗主要包括V1及V2的导通损耗及栅极驱动损耗。当开关频率低于1MHz时，导通损耗占主导地位；开关频率高于1MHz时，以栅极驱动损耗为主。,(6)同步整流
32、简介2)它激式（外驱动）同步整流技术它激式同步整流器是最先采用的,每个SR 管对应一套复杂的驱动电路,驱动电路包括时延逻辑、驱动器和变压器,如下图 所示(注:SR1 的驱动电路与SR2 相同,省略未画)外驱动方式时，栅极驱动电压VG作为开关管一样；加在MOSFET管的栅源(GS)极间。它的缺点是：需要控制检测、定时逻辑、同步变压器、以及高速驱动电路等，比较复杂，价格贵，开发周期长，一定程度上限制了外驱同步整流的广泛应用，优点是可使用在大多数电路结构中。,(6)同步整流简介2)自激式（自驱动）同步整流技术自激式同步整流是在主变压器上加两个辅助绕组，获得驱动信号，在副边电压合适的情况下，可直接从副
33、边主电路获得驱动信号。自驱动同步整流简单、可靠。,二、开关电源失效分析(1)概述 可靠性技术首先是从评价可靠性开始的,主要关注可靠性试验和评价方法.可靠性技术逐渐转向提高可靠性,失效分析和失效物理成为可靠性研究的重点.失效分析是可靠性工程的基础,只有通过失效分析才能解决失效,降低故障率,积累经验,提高技术水平。传统的器件失效分析是对失效器件进行分析，从材料、结构、设计、制造工艺和使用等方面，通过物理、化学的分析方法来确定失效模式，分析失效机理，判断失效性质、假设失效原因。现在的失效分析不仅仅是传统的失效模式和机理的分析，而是根本原因分析，找到根本原因，提出改进措施，解决问题，更重要的是提出预防
34、措施，在新产品开发中避免类似的问题发生。基本内容：失效情况调查、失效模式鉴别、失效特征描述、假设失效机理、证实失效机理、提出纠正措施和新失效因素、积累失效分析经验。,二、开关电源失效分析(1)概述。失效模式是器件失效后表现出来的宏观现象和特征，它不需要解剖器件即可获得。主要有开路、短路、功能丧失、功能退化、重测合格、结构不良等。失效机理是指由于物理、化学、机械、电、人等原因引起产品失效的机理。该定义中的产品是从大的系统到器件、部件、材料等的总称。如果针对半导体器件的情况，失效机理是导致器件发生失效的物理、化学变化过程。根据失效机理，可以判断导致器件失效的根本原因，进而提出相应改进措施。典型失效
35、机理包括：设计缺陷、内部退化、表面退化、金属化退化、氧化层退化、键和缺陷、封装失效、应用失效等。,二、开关电源失效分析(2)整机失效模式及分析 对PC电源来说整机失效主要为功能失效，具体表现为无电压输出（分无主路输出以及待机及主路全部无输出）、带不起负载、保护功能丧失、电气性能指标超标等。失效机理主要由器件失效、设计缺陷、功能退化等。降低整机失效率主要通过可靠性工程来评估和保证，目前主要通过DMTBF(验证平均故障间隔时间、高低温循环工作试验、高低温循环存储试验、AC ON/OFF循环测试、机械振动跌落测试、高加速寿命实验(HALT)、高加速应力筛选(HASS)等实验手段来评测和检验，通过方案
36、评审阶段CMTBF预计、PCB LAYOUT 设计规范、Power Supply Component Derating Guideline(热设计)、航嘉电源测试规范、DFMEA作业控制规范 等设计规范来保障。,二、开关电源失效分析(2)整机失效模式及分析 降额理论：器件强度必须超过器件环境应力，以保证器件正常运行。降额(derating)：元器件使用中承受的应力低于其额定值，以达到延缓其参数退化，提高使用可靠性的目的。通常用应力比和环境温度来表示。额定值（rating)：元器件允许的最大使用应力值，一般器件手册中都有明确的规定。应力（stress):影响元器件失效率的电、热等负载，典型的过应
37、力有：温度、浪涌、ESD、噪声和辐射应力。应力比（stress tatio)：元器件的工作应力与额定应力之比，应力比又称做降额因子。,二、开关电源失效分析(2)整机失效模式及分析,二、开关电源失效分析(2)整机失效模式及分析,特征曲线可以分解为3个基本的曲线：早期、生命周期、衰老期。对于耗尽失效和应力相关失效。降额使用可以使这两条曲线下移，从而使整个浴盆曲线下移。,二、开关电源失效分析(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析2、电容类器件失效模式及分析3、磁性器件失效模式及分析4、电阻类器件失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析 ESD失效是半导体类器
38、件都有的一个失效模式，ESD失效具有以下特点：隐蔽性：人体感知的静电放电电压23KV。潜在性：损伤后性能没有明显的下降。随机性：从一个元件产生以后，一直到它失效以前的所有过程。复杂性：分析困难，掩盖了失效的真正原因。ESD引起半导体器件损伤，使器件立即失效的几率约10%，而90%的器件则是引入潜在性损伤，损伤后电参数仍符合规定要求，但减弱了器件抗过电应力的能力，在使用现场容易出现早期失效。静电损伤是一种偶然事件，一般来讲与时间无关，不能通过老化筛选的方法加以剔除，相反，在老化过程中，由于器件接地不良，不适当的传递等反而会提高ESD失效的比例。,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分
39、析 静电放电损伤的预防措施：减少ESD损伤的最重要原则是选用ESD等级高的器件。设计中的静电防护措施，布局、端口保护网络等。器件使用中的防静电措施，例如在生产、测试、试验、运输、保管和使用现场采取有效措施以消除静电的产生和积累。人员培训，加强ESD管理。,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析二极管失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析二极管失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析二极管失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析二极管失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及
40、分析二极管失效模式及分析 二极管可靠应用要点：对正向电流、反向电压、功耗结温等进行降额使用，其中最有意义的是最高结温，由于二极管上有电压降，当正向电流过大时会引起二极管结温超过要求而击穿。对于整流二极管，特别应关注二极管的峰值正向电流（浪涌电流）也应满足降额要求。,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析晶体管失效模式及分析 晶体管分为双极性晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET）、异质结双极性晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、GaAs场效应管（GaAs FET)。,(3)器件失效模式及分析1、半导体器件失效模式及分析晶体管失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析1
41、、半导体器件失效模式及分析晶体管失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析2、电容类器件失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析2、电容类器件失效模式及分析 对于大多数的电容器而言，短路是最主要的失效模式之一，特别是对于介质为纸、塑料、云母、玻璃和钽电容而言。电容最主要的失效机理是介质击穿。尽管大多数的操作都是在额定范围内工作，但是所有的电介质材料都会随着时间和温度的推移而性能退化。这种失效机理会随着所加电压和周围环境温度的改变而加速。电压加速比通常就是工作电压和最大的额定电压之间的应力比值。电容的早期失效主要是生产工艺中的缺陷造成的，像粗糙的薄片边缘、氧化层薄膜缺陷等。即便电容在其规定的额定范
42、围内工作，电介质材料也会随着时间和温度的推移性能慢慢退化直至失效。在生命周期中，失效主要是由于较高的工作电压或纹波电流造成的内部过高的温度引起的。短暂的短路会对电容的阳极/阴极产生微小的破坏，电容将会继续工作，但是会在微小的容值降低或改变的模式下工作。,(3)器件失效模式及分析2、电容类器件失效模式及分析 电容通过限制电压和温度进行降额。对于非极性或对高纹波电流有较大温度影响的器件，可以考虑进行反向电压降额和纹波电流降额。电容主要的降额因素包括电流（DC或AC）、电压、温度，有两个基本的关系表明了电容的降额。直流电压降额=直流电压（实际使用）+交流峰值电压（实际使用）电容的温度=外界温度+由交
43、流负载引起的壳温温升 纹波和脉冲电流影响温升进而影响失效率。如果脉冲电流的限制标准没有在手册中，供应商关于超过该限制的要求应该在单独的器件规格中给出。,(3)器件失效模式及分析2、电容类器件失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析2、电容类器件失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析3、磁性器件失效模式及分析磁性器件主要分为电感器和变压器。线圈的缠绕方式是决定最优工作频率范围的主要决定因素，主要有两种方式，一个为盘绕式（Coil)，另外一个是环形线圈（toroid)。盘绕式用于高频，而环形线圈则适用于电源整流和音频应用。还可根据缠绕的圈数，交迭数目和线圈的位置进行划分。磁芯通常是采用铁化合物以
44、提高器件的感应特性。高频类通常采用铁粉磁芯（Ferrite Core),低频类通常采用硅钢片磁芯。,(3)器件失效模式及分析3、磁性器件失效模式及分析磁性器件失效模式和机理,(3)器件失效模式及分析3、磁性器件失效模式及分析 绝大多数的失效同内部过热有关部门。而内部过热的原因又主要是由于不能容忍器件规定的频率特性而引起的。在器件规定的频率范围之外工作，会引起过热和功能下降，如果工作在规定的频率以下，则会使磁芯饱和；工作在规定频率以上会导致磁芯耗损。过热的另一个原因是设计不能在直流下工作的器件被用于直流条件下工作。小量的直流电流在音频类变压器中会使磁芯饱和，这会导致低频性能的下降。电感器的额定电
45、流应降额使用。功率变压器可以对大量的热量进行充分的散热。需要注意附近的器件，特别是电容滤波器和电压调整器。由于磁性器件相对于其他器件具有较大的质量，其生产工艺决定其抗机械应力较差，所以需要在安装中特别考虑，磁性器件应该尽量安装在单板的边缘。,(3)器件失效模式及分析3、磁性器件失效模式及分析,(3)器件失效模式及分析4、电阻类器件失效模式及分析 电阻的分类,(3)器件失效模式及分析4、电阻类器件失效模式及分析,对大多数电阻类型来说，主要的失效模式 是阻值改变，也有短路和开路的情况出现。通常在受到温度应力、电应力和潮湿的情况下，电阻阻值将发生改变，甚至失效。,(3)器件失效模式及分析4、电阻类器件失效模式及分析,对电阻来说，功率降额是最主要的，因为它是影响电阻可靠性的主要因素，有一些电阻对过压、过流有要求，即使其维持的时间较短。电阻在应用中同时要注意脉冲功率，片状电阻还需注意抗各种环境污染和腐蚀的问题。,THANK YOU!,
