开关电源关键器件失效研究及探测

发布时间：2017-07-18 00:07

  本文关键词：开关电源关键器件失效研究及探测

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【摘要】：电子系统中,开关电源担任着非常重要的角色,其承担着对电能进行转换、加工和调节的任务,广泛应用于航天、通信和核电等领域。开关电源的健康状态对电子系统的正常工作有着决定性作用,其退化体现在其性能参数与规格指标发生偏离,而根本原因则是内部关键元器件发生了退化甚至失效。电解质滤波电容和光耦合器即是其中非常重要并且容易退化和失效的关键元器件,对其进行故障监测与寿命估算,具有重大的工程意义。本文主要对开关电源中的两个关键的器件,即电解质滤波电容以及光电耦合器的性能退化特性进行研究。根据国内外诸多专家学者的研究成果,推导确定其退化参数的监测和数据采集的方案。其中,电解质滤波电容的退化由串联电阻ESR(Equivalent Series Resistance)表征,其退化影响开关电源输出端电压中的纹波电压大小;光耦合器的退化由其特征参数电流传输比CTR(Current Transfer Ratio)表征,其退化影响开关电源内部反馈回路的性能,影响开关电源的输出瞬时震荡频率。通过监测开关电源输出的纹波电压和瞬时震荡进行监测则可以监测其退化和故障。在确立数据采集方案的基础上,通过对关键元器件进行退化研究实验,并且对实验采集的关键数据进行处理,建立电解质滤波电容以及光耦合器的关键参数的失效检测模型。于电解质滤波电容而言,等效电阻ESR值与纹波电压幅值ARIP成线性关系;对光耦合器来说,电流传输效率CTR值与震荡脉冲个数N为二次函数的关系。根据得到的关键元器件性能退化的失效模型,针对性的开发设计电解质滤波电容器和光耦合器的失效监测系统,设计其关键信号(纹波电压以及瞬时震荡)的监测电路,完成对开关电源的性能退化预警和故障监测。
【关键词】：开关电源 电解质电容 光耦合器 故障监测
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究工作的背景与意义9-10
• 1.2 开关电源故障检测的国内外研究现状10-11
• 1.3 本文的主要研究内容与方案11-13
• 1.3.1 研究内容11
• 1.3.2 研究方案11-12
• 1.3.3 本文的创新之处12-13
• 1.4 本文的结构安排13-14
• 第二章 开关电源关键元器件的失效机理14-24
• 2.1 电解质滤波电容的失效模型及机理14-19
• 2.1.1 等效电路14-16
• 2.1.2 退化原因16
• 2.1.3 退化过程在参数上的表现16-18
• 2.1.4 关键参数的选取及分析18-19
• 2.2 光耦合器的失效模型及机理19-23
• 2.2.1 光耦合器的结构及特点19-21
• 2.2.2 光耦合器退化机理21-23
• 2.2.2.1 光耦合器退化机理21
• 2.2.2.2 光耦合器CTR的表征21-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 元器件退化的关键监测信号24-31
• 3.1 电解质滤波电容退化关键信号24-27
• 3.1.1 时域分析24-25
• 3.1.2 频域分析25-26
• 3.1.3 利用纹波电压的近似计算26-27
• 3.2 光耦合器退化关键信号确定27-30
• 3.3 本章小结30-31
• 第四章 关键元器件的加速实验31-37
• 4.1 电解质滤波电容的退化实验31-34
• 4.2 光耦合器的退化实验34-36
• 4.3 本章小结36-37
• 第五章 监测电路设计与仿真37-53
• 5.1 电解质电容检测电路设计及仿真38-45
• 5.1.1 偏置放大电路39-41
• 5.1.2 滤波电路41-44
• 5.1.3 整体电路44-45
• 5.2 光耦合器检测电路设计及仿真45-50
• 5.2.1 震荡引入电路46-47
• 5.2.2 整形电路47-48
• 5.2.3 放大电路48-49
• 5.2.4 方波产生电路49-50
• 5.2.5 整体电路50
• 5.3 ARM数据处理流程50-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第六章 监测设备测试53-68
• 6.1 PCB电路测试54-61
• 6.1.1 文波电压采集电路测试54-57
• 6.1.2 震荡信号采集电路测试57-61
• 6.2 故障监测设备测试61-67
• 6.2.1 电解电容故障监测测试61-64
• 6.2.2 光耦合器故障监测测试64-67
• 6.3 本章小结67-68
• 第七章 总结与展望68-70
• 7.1 全文总结68
• 7.2 后续工作展望68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间取得的成果75-76

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本文编号：555189