48V轉5V電源電容發熱嚴重、爆漿原因解析

ID:104059 · 發表于 2016-1-22 04:17

入手的48V轉5V的電源模塊，圖中紅色標記1000uf的電容為原板子上的，
有幾個板A電容爆漿，有1個板子沒有爆漿，
將這個沒有爆漿的電源帶2A負載，A電容相對B電容溫度高，10min到燙手的感覺；
將爆漿的電源的A、B電容都更換為470uf的（手頭沒有1000uf的），同樣帶2A負載，A電容發熱嚴重，沒法摸；B電容相對好一點；

由此可見，A電容爆漿的原因是過熱引起的，
那么，發熱原因是電容的容量低導致的嗎？還是這個地方電源設計存在缺陷呢？
還請高人指點一二，謝謝！

右下腳簡單畫了兩個電容及電感的示意圖，其它沒畫出來，這個應該是常見的結構吧

freesl的求關于48V轉5V電源電容發熱嚴重、爆漿原因文中提到2a負載時兩個輸出電容嚴重發熱，一個燙手，一個溫度高。
兩個電容隔著一個輸出電抗，溫度不同說明輸出電抗有效。
電抗前電容高溫可能跟輸出波紋有關，因為反激變換器輸出波紋本身就大。
而輸出電抗后電容高溫就跟波紋沒有關系了，懷疑輸出電壓不穩，有震蕩。

初看起來這個電源板做工一般，而且是通用設計。
上面有直流供電不需要的emi電感和電容。
這個板子應該是換個變壓器和幾個電阻就可以適應各種輸入輸出。

可見freesl也是下了不少功夫的，用記號筆仔細的標注了輸入輸出電源的正負極。

因為電源只是帶載下電容發熱，沒有別的問題，所以直接加電。

輸入加壓到23.3v開始有輸出，此電壓即使這個電源設計的最低啟動電壓。

輸出電壓還算準，在誤差范圍內。

測量3842震蕩腳波形。

黃色通道懸空，震蕩整齊，頻率87.85khz。
三角波上的尖峰是mos關斷引起的，正常干擾。

增加mos驅動信號測量。

沒有問題，輸出很穩定。

增加輸出負載 5r1 9s

輸出電壓沒有變化

輸出脈沖寬度略有增加，幅值也有所增加。

增大負載 5r1 2s

電壓略有下降

脈寬明顯增加，幅值基本沒再變化。感覺脈寬有點抖動。

放大可以看到兩個連續的脈沖寬度不一致。

開啟余暉顯示，可以看到輸出脈沖有兩個寬度。
符合我之前的推斷，此電源在輸出電壓穩定性方面有問題。

繼續增大負載 5r1 1s

輸出電壓進一步下降

波形更加混亂，甚至震蕩頻率都改變了。

暫停下可以看到，連續脈沖寬度差異極大，而且震蕩周期也有所改變。

一個通道測輸出脈沖，一個通道測電源輸出波形

先看看輕載狀態，負載 5r1 9s

輸出電壓4.98

輸出良好，沒有明顯波紋

增大負載 5r1 2s

輸出脈寬開始有震蕩，但輸出電壓沒有明顯惡化

5r1 1s負載，輸出電壓仍然沒有明顯波紋，看來輸出電抗濾波效果確實不錯。

那就看看輸出電抗濾波前波形如何

輕載不看了，直接看 5r1 2s

看到波紋了，在mos關斷后，電壓迅速上升，確實是lsr過大導致的。
從圖上看峰值大概有0.5v。

返回頭看一下空載狀態

也有明顯波紋，只是幅值較小

加大負載 5r1 1s

開著余暉有點混亂

關上余暉，清楚地看到波紋尖峰，負載加倍尖峰增加不多

宏觀一點看看。
這里可以看到，波紋不小，但卻沒有多少電壓降，也就是說電容容量是足夠的。
只是交流內阻大，交流攻好高，導致發熱嚴重。

測量一下反饋輸出部分，看看輸出環路不穩是反饋的問題還是控制的問題。

負載 5r1 2s

反饋環路穩定，沒有大起伏

增大負載 5r1 1s

反饋略有起伏，但應該不至導致這么大的占空比變化。

測量光耦供電端

負載 5r1 1s

供電取的濾波電抗前，所以有波紋，不過對比431輸出端波紋。
發現光耦波紋應當是互相抵消了，也就是說實際光耦驅動電流基本沒波紋。

偶然發現變壓器磁環有裂紋，電感量減小應當也是波紋大的原因之一。
不過freesl有測試過沒有損壞磁環的電源，也是一樣發熱，所以暫且忽略這個問題。

如果反饋環路穩定，而占空比不穩定。
這是如果想要占空比穩定，就要通過斜率補償的方法。
電源原設計有斜率補償，看來工作不正常或是補償不足。
拆下，原值是201

換上個相近的330p試試

負載 5r1 1s

沒有太大的變化，還是占空比還是不穩定

在一個相當別扭的地方找到了一次電流采樣點

負載 5r1 2s

一次電流正常，電流不連續，磁芯沒有飽和跡象，占空比還算穩定。

增大負載，5r1 1s

可以看到一次電流在一個周期內無法上升到需要的設定值。
而二次電流在大半個周期內就下降到零，如此反復導致一次電流二次電流都較高。
由此產生的開關損耗，整流損耗，電容損耗都高。
不知道這個電源設計輸出能力是多少，目前來看這個電源設計工作在非電流連續模式與電流連續模式之間。
當前電源正處在兩模式轉換的狀態，工作不穩定，需要增加斜率補償以使工作狀態穩定。

增大斜率補償電容

測量一次電流與輸出脈寬

還是沒有變化

發現一個反饋上拉電阻，在一般的電源里沒有這個上拉，一般都是一個下拉，去掉試試

還是沒有一絲變化

增大一次電流反饋電阻，原值是1k，增大一倍看看

還是 5r1 1s 負載

略有小成，可以看到每三個脈沖一個周期，其中有一個周期成功工作在電流連續模式

不敢再加大斜率補償電容了，因為沒有緩沖，補償電容太大會過多分流震蕩電容的充電電流，影響震蕩頻率。
所以減小采樣吸收電容試試，一樣可以增大斜率補償比例，原值是103，減小到跟補償電容一樣。

負載不變 5r1 1s

有效果了，穩定工作在電流連續模式

放大一次電流通道，可以看到一次電流不是從零開始的。

對比看一下電流反饋補償后信號

可以看到斜坡補償量大約是電流反饋值的一半

提高供電電壓到最大輸出。31.2*0.29=9.048，此時輸出大約4.93*（4.93/5.1）=4.77
效率大約4.77/9.048=52.67%，還算可以，一般反激電源效率都在60%上下，很難做得很高。

因為電壓升高，一次電流斜率增加

增大負載 5r1 2p ，看看輸出2a的情況

一次電流增長，輸入功率約31.2*.46=14.352，輸出功率約4.93*（4.93/5.1/2）=9.53
效率9.53/14.352=66.41%，效率有所上升

一次電流增大，尤其是基值明顯增大。
占空比穩定，沒有忽大忽小的問題此時工作五分鐘，濾波電抗后的電容沒有溫度，但濾波前電容依然燙手
看來濾波前電容發熱確實跟lsr有關，跟占空比震蕩也有一部分關聯。
因為此時的溫度跟原始1a輸出時溫度相當。

所以再看一下次級整流前后波形

負載 5r1 1s，以控制電容溫度

一次電流有所變化，不知為何，也許跟磁環破碎有關

可以看到在反激輸出時，電容電壓突然上升，然后隨二次電流一起緩慢下降
當一次mos開通時，電容電壓恢復，開通期間沒有明顯的電壓降，說明容量是夠的

再看一下重載情況，負載5r1 2p

一次電流較之前反而有所減少

可以看到上升過沖較為明顯，但幅值并沒有成倍增加，而且因為電流連續，關斷時有震蕩

再看一下空載狀態

空載電流不小，還可接受

空載小電流時也可看到電壓上升

因為懷疑freesl備件的品質（freesl見諒，因為你上次的mos是拆機件），所以更換同容量的國產新品

依然測量次級整流前后波形

空載狀態

輸出電壓一致

波形也差不多，反而我這個上升過沖更加明顯

再看下2a輸出，負載 5r1 2s

輸出電壓接近4.92

果然過沖震蕩更加明顯，看來我的備件品質更差一些
發熱情況差不多，依然是只有濾波前電容燙手，濾波后電容沒有溫度

試一下小容量的，理論上lsr會小一些

焊在背面方便些

還是2a輸出，可以看到尖峰略有下降，幅值也有所降低，但發熱卻更加快速
看來lsr確實是小，但好像熱容量小的更多，也就是功率容量小

既然原設計是1000uf，那必然有它的道理，手上只有35v的，換上試試

可以看到，尖峰幅值跟470uf差不多，但幅值明顯下降更加平坦
此時再摸電容，基本感覺不到溫升

在并一個cbb看看能不能把尖峰吸收掉

尖峰幅值沒有變化，但震蕩頻率明顯下降，應該是對吸收有作用

那既然是lsr的問題多個電容并聯是不是會有效呢
試一下剛剛發熱迅速的220uf

一次電流沒有變化

尖峰進一步下降，但幅值基本沒變化，而且發熱情況并沒有改善
看來小容量并聯還是有一定局限的。

看到整流后電壓沒有太大跌落，心想濾波電容容量應該是足夠的，那如果單個電容容量再小一點呢

看到一次電流上升，看來損耗更大了

果然幅值明顯增大，甚至大過了單個220uf，但尖峰小了不少，比兩個220uf都要低
看來常說的大電容要并小電容是有道理的

那么理論上cbb電容高頻更好，如果用cbb會是什么效果呢

因為容量差距太大，先看一下空載情況

果然，容量嚴重不足，輸出電壓波動明顯，但仔細看波形順滑沒有電解的毛刺和跳變

看一下濾波電抗后的效果

輸出電壓波動，看來單獨濾波電抗后470uf電容作用還是有限

試試稍微輕載的狀態， 5r1 9s

輸出電壓波動增加，振幅達到0.6v左右，這種輸出是不達標的

再看看整流輸出波形，振幅都達到4v了，此時輸出電抗后電容以有一點溫度了
但cbb還是冰涼的，可見cbb的高頻性能確實比電解強多了

那既然容量小，在并聯一個怎么樣

震蕩幅值瞬間減半，這并聯的效果比電解好多了，看來cbb可以通過并聯的方式提高效果
而電解更適合多等級電容并聯

再看一下此時輸出波形什么變化

因為前級振幅減半，所以濾波后平坦很多
至此這個電源已基本可以治愈出院了，但總想壓榨點東西出來。

于是有了這么無聊的杰作，具體幾個自己數吧

先看一下輸出波紋

大有改觀很平坦，就是不知這些噪聲是哪里來的，大約是別處傳進來的干擾吧，明顯跟這個電源不是一個頻率

這是整流后波形，很順滑，但有明顯起伏，看來容量還是不足

試試1a輸出怎么樣，負載5r1 1s

整流后振幅1v左右，開通瞬間有明顯震蕩，甚至不如兩個220uf吸收的好，看來并聯效果也是有限的

再看一下輸出波形

輸出有所上升，大約0.03v

是幻覺嗎？輸出電壓上升，輸入電流下降，效率提升了嗎？

輸出波紋還可接受

看看2a是什么狀態

搞怪吧，很滑稽的曲線，這應當是反饋環路低頻震蕩導致的

一次電流依然是小于之前值，不過輸出不穩定沒有可比性

看一下整流前后的波形

更加滑稽的曲線，看來如果要用cbb的話是需要調節一下反饋環路了
此時因為輸出電壓低頻震蕩，所以電抗后電解有一點溫

至此次電源維修告以結束，不知freesl還算滿意否，有什么不清楚的地方還請明示
這里總結一下，此電源電容發熱主要有兩部分原因。
一是一次控制環路不穩定，變壓器電感量不理想，導致系統工作在連續電流與非連續電流兩種模式之間。
同時斜坡補償不足，導致一次環路震蕩，使輸出不穩定，導致電容頻繁充放電，發熱。
解決方法：1.重繞變壓器，使工作模式穩定。2.增加斜坡補償比例，增大系統穩定性
二是電容選擇不合理，原電容在這里應該是可以長期工作的，但推薦再并聯一個大容量cbb吸收一下

由這個電源學習到
小電解雖然lsr相對較低，但功率容量也低，有時并不一定能獲得更好的濾波效果
如果想要更好的濾波效果，就需要各種容量各種類型的電容合理搭配

ID:249545 · 發表于 2017-11-23 22:35

降壓幅度太大,變成PWM脈寬很窄,很窄的話就使電容充放電的V P-P值很高,在ESR作用下,電容發熱--->爆--->漿!

ID:73762 · 發表于 2017-11-26 23:09

學習了，圖文并茂

ID:255070 · 發表于 2017-11-29 10:47

有可能是紋波較大，加大電容有點效果，最好還是調好參數

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48V轉5V電源電容發熱嚴重、爆漿原因解析

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