48V轉5V電源電容發(fā)熱嚴重、爆漿原因解析

ID:104059 · 發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)熱嚴重、爆漿原因文中提到2a負載時兩個輸出電容嚴重發(fā)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(wěn)，有震蕩。

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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。
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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。
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因為電源只是帶載下電容發(fā)熱，沒有別的問題，所以直接加電。
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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。
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輸出電壓還算準，在誤差范圍內。
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測量3842震蕩腳波形。
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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。 220848xw8hkbkyz8svkvvk.jpg.thumb.jpg

增加mos驅動信號測量。
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沒有問題，輸出很穩(wěn)定。
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增加輸出負載 5r1 9s
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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。
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增大負載 5r1 2s
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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。
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放大可以看到兩個連續(xù)的脈沖寬度不一致。
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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(wěn)定性方面有問題。
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繼續(xù)增大負載 5r1 1s
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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。 221550a4xvuukbk0dz4bv6.jpg.thumb.jpg

暫停下可以看到，連續(xù)脈沖寬度差異極大，而且震蕩周期也有所改變。
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一個通道測輸出脈沖，一個通道測電源輸出波形
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先看看輕載狀態(tài)，負載 5r1 9s
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輸出電壓4.98

輸出良好，沒有明顯波紋
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增大負載 5r1 2s
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輸出脈寬開始有震蕩，但輸出電壓沒有明顯惡化
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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。
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那就看看輸出電抗濾波前波形如何
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輕載不看了，直接看 5r1 2s 223721gjjrvh8jlyv1hjfu.jpg.thumb.jpg

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。
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返回頭看一下空載狀態(tài)
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也有明顯波紋，只是幅值較小
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加大負載 5r1 1s
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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
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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(fā)熱嚴重。
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測量一下反饋輸出部分，看看輸出環(huán)路不穩(wěn)是反饋的問題還是控制的問題。
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負載 5r1 2s

反饋環(huán)路穩(wěn)定，沒有大起伏
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增大負載 5r1 1s
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反饋略有起伏，但應該不至導致這么大的占空比變化。
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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(fā)現(xiàn)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。
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偶然發(fā)現(xiàn)變壓器磁環(huán)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(huán)的電源，也是一樣發(fā)熱，所以暫且忽略這個問題。
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如果反饋環(huán)路穩(wěn)定，而占空比不穩(wěn)定。
這是如果想要占空比穩(wěn)定，就要通過斜率補償?shù)姆椒ā?br /> 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
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換上個相近的330p試試 231155vd3bde2j3qq2j3de.jpg.thumb.jpg

負載 5r1 1s

沒有太大的變化，還是占空比還是不穩(wěn)定
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在一個相當別扭的地方找到了一次電流采樣點
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負載 5r1 2s

一次電流正常，電流不連續(xù)，磁芯沒有飽和跡象，占空比還算穩(wěn)定。
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增大負載，5r1 1s
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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(chǎn)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(xù)模式與電流連續(xù)模式之間。
當前電源正處在兩模式轉換的狀態(tài)，工作不穩(wěn)定，需要增加斜率補償以使工作狀態(tài)穩(wěn)定。
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增大斜率補償電容

測量一次電流與輸出脈寬
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還是沒有變化

發(fā)現(xiàn)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
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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 141349g9szhfhedffb9bhh.jpg.thumb.jpg

還是 5r1 1s 負載
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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(xù)模式
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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。
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負載不變 5r1 1s
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有效果了，穩(wěn)定工作在電流連續(xù)模式
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放大一次電流通道，可以看到一次電流不是從零開始的。
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對比看一下電流反饋補償后信號
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可以看到斜坡補償量大約是電流反饋值的一半
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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。
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因為電壓升高，一次電流斜率增加
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增大負載 5r1 2p ，看看輸出2a的情況
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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
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一次電流增大，尤其是基值明顯增大。
占空比穩(wěn)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(fā)熱確實跟lsr有關，跟占空比震蕩也有一部分關聯(lián)。
因為此時的溫度跟原始1a輸出時溫度相當。
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所以再看一下次級整流前后波形
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負載 5r1 1s，以控制電容溫度
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一次電流有所變化，不知為何，也許跟磁環(huán)破碎有關
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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
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再看一下重載情況，負載5r1 2p
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一次電流較之前反而有所減少
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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(xù)，關斷時有震蕩
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再看一下空載狀態(tài)
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空載電流不小，還可接受
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空載小電流時也可看到電壓上升
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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(chǎn)新品
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依然測量次級整流前后波形
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空載狀態(tài)

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
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再看下2a輸出，負載 5r1 2s
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輸出電壓接近4.92
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果然過沖震蕩更加明顯，看來我的備件品質更差一些
發(fā)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
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試一下小容量的，理論上lsr會小一些
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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(fā)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
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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
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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
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在并一個cbb看看能不能把尖峰吸收掉
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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
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那既然是lsr的問題多個電容并聯(lián)是不是會有效呢
試一下剛剛發(fā)熱迅速的220uf 221002jrzjuog7zgduy1zg.jpg.thumb.jpg

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(fā)熱情況并沒有改善
看來小容量并聯(lián)還是有一定局限的。
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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
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看到一次電流上升，看來損耗更大了
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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
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那么理論上cbb電容高頻更好，如果用cbb會是什么效果呢
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因為容量差距太大，先看一下空載情況
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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
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看一下濾波電抗后的效果 222236ovz6i0p7dpxgwhqh.jpg.thumb.jpg

輸出電壓波動，看來單獨濾波電抗后470uf電容作用還是有限
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試試稍微輕載的狀態(tài)， 5r1 9s
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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
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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
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那既然容量小，在并聯(lián)一個怎么樣
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震蕩幅值瞬間減半，這并聯(lián)的效果比電解好多了，看來cbb可以通過并聯(lián)的方式提高效果
而電解更適合多等級電容并聯(lián)
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再看一下此時輸出波形什么變化
222259l5690qsbxqqx5ygq.jpg.thumb.jpg

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。
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于是有了這么無聊的杰作，具體幾個自己數(shù)吧
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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
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這是整流后波形，很順滑，但有明顯起伏，看來容量還是不足
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試試1a輸出怎么樣，負載5r1 1s
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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(lián)效果也是有限的
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再看一下輸出波形

輸出有所上升，大約0.03v 224141qbb35jjuwhdhwqcq.jpg.thumb.jpg

是幻覺嗎？輸出電壓上升，輸入電流下降，效率提升了嗎？
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輸出波紋還可接受

看看2a是什么狀態(tài)
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搞怪吧，很滑稽的曲線，這應當是反饋環(huán)路低頻震蕩導致的
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一次電流依然是小于之前值，不過輸出不穩(wěn)定沒有可比性
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看一下整流前后的波形
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更加滑稽的曲線，看來如果要用cbb的話是需要調節(jié)一下反饋環(huán)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(fā)熱主要有兩部分原因。
一是一次控制環(huán)路不穩(wěn)定，變壓器電感量不理想，導致系統(tǒng)工作在連續(xù)電流與非連續(xù)電流兩種模式之間。
同時斜坡補償不足，導致一次環(huán)路震蕩，使輸出不穩(wěn)定，導致電容頻繁充放電，發(fā)熱。
解決方法：1.重繞變壓器，使工作模式穩(wěn)定。2.增加斜坡補償比例，增大系統(tǒng)穩(wěn)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(lián)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(fā)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(fā)熱--->爆--->漿!

ID:73762 · 發(fā)表于 2017-11-26 23:09

學習了，圖文并茂

ID:255070 · 發(fā)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(shù)

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48V轉5V電源電容發(fā)熱嚴重、爆漿原因解析

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