混沌调制对开关电源使用寿命的影响研究

宋玉宏

（顺德职业技术学院电子与信息工程学院，广东佛山528333）



混沌调制对开关电源使用寿命的影响研究

宋玉宏

（顺德职业技术学院电子与信息工程学院，广东佛山528333）

摘要：混沌调制用于开关电源可以抑制电磁干扰，但对开关电源使用寿命的影响分析目前存在空白。从开关变换器的失效模式中分析影响使用寿命的关键元器件及其失效模型，进一步探讨混沌调制对关键元器件的影响及导致元器件失效的原因，以及混沌失调产生的原因及其对系统使用寿命的影响，并通过仿真进行验证。

关键词：混沌调制；开关电源；使用寿命

系统故障预测与健康管理技术（Prognostics And Health Management，PHM）是目前的研究热点，其中，剩余使用寿命（Remaining Useful Life，RUL）预测技术尤其重要［1］。美国马里兰大学的先进寿命周期工程研究中心（Center for Advanced Life Cycle Engineering：CALCE）是最早研发电子产品PHM技术的单位。针对当时美军标Mil-HDBK-217所存在的一些问题，提出了基于失效物理（Physics of Failure，PoF）的电子系统可靠性研究理论。在PoF的基础上，Michael Pecht教授提出了设备或系统的寿命预测与健康管理的概念［2］，强调失效预警、优化维护、减少设备寿命周期成本等目标。

开关电源由于尺寸小、重量轻、低功耗及高效率等优点被广泛应用在电子、通信、电气设备及控制设备等多个领域。电源的性能直接影响了电子产品的寿命，在使用过程中，电源面临各种可能的恶劣条件和工作环境，它的故障和劣化失效是造成整个电子系统安全可靠问题的重要原因之一［3］。如2007年美国宇航局空间站项目小组报告，国际空间站突发电力故障，导致部分设备被迫断电。2009年欧洲通讯卫星组织在其官网上宣布，印度空间研究组织为其研发的一颗通信卫星在发射五周后因电源系统失效而变成太空垃圾，等等。

1　开关电源失效及关键元器件

开关电源失效有多种模式，各种模式产生的后果不同，产生的机率也有区别。电源失效原因有过应力、温度、潮湿和过电流等，对系统的危害程度有临界性和灾难性的。

大量开关电源可靠性研究文献都认为电源的大部分失效是由少数器件引起的［3-5］，特定器件失效的频度可能与开关电源的拓扑、器件型号、额定参数变化以及工作环境有关。通常可以划分为以下几类器件：滤波电容、开关晶体管、整流二极管和电感器。这几类器件失效所占的比例为：铝电解电容占60%，开关晶体管占31%，电感器占6%，功率二极管占3%［5］。可见在分析电源失效时，铝电解电容与开关晶体管应当是重点关注的对象。

1.1电解电容

在开关电源中输出滤波电容的主要作用是抑制在直流变换器中产生的高频噪声，电容因此承受噪声纹波电压。通常使用钽电容和铝电解电容。钽电容体积小，可靠性高，但成本高。铝电解电容容量大、成本低，但体积大。一般的开关电源常用铝电解电容。铝电解电容的主要参数包括电容量、等效串联电阻ESR、纹波电流和温度上升值［6］，其等效模型如图1。

图1电解电容等效模型

一个实际的电容模型包括电容C、等效并联电阻EPR、等效串联电阻ESR和电感Ls。C是电解电容阴极和阳极之间的理想电容，EPR代表了介质损耗及两个电极之间的漏电阻，ESR是电极及连接处的串联电阻，Ls是引脚及连接处的等效电感。电容失效有开路、短路、电容量下降和ESR上升等模式，产生原因有外部应力、过压、大纹波电流、高温以及长期使用等情况［7］。

1.2开关晶体管

有三种开关晶体管如：BJT、MOSFET、IGBT运用在开关电源上。每类晶体管具有特定的失效模式和比率［3］，BJT体积小、效率高，但工作频率较低。而MOSFET和IGBT工作频率较高，但体积和效率上没有优势。因为一般开关电源具有较高的工作频率，故MOSFET和IGBT应用得较为普遍。以MOSFET为例分析其等效电路模型［8］，如图2所示。

图2 MOSFET的等效模型

Ron是实际MOSFET在导通状态时漏极（drain）和源极（source）之间的电阻。Cgs、Cgd和Cds是栅-源极、栅-漏极和漏-源极电容。Lps是源极并联电感，考虑了分布参数的影响。D是内置体二极管。在MOSFET劣化甚至失效的过程中，热应力和电气过应力的影响是主要原因，它们都引起导通电阻Ron的增加。在热应力的影响下，载流子迁移的阻碍增加，运动减少了，即导通电阻增加。迁移减少导致载流子更分散，半导体材料特性和掺杂度对迁移产生影响。这些变化引起半导体开关特性的改变而导致过早失效。

2　混沌调制对关键元器件的影响

2.1电解电容

混沌调制的直流变换器在抑制EMI的同时会增大输出电压纹波，纹波将直接影响到输出电解电容的性能，即对电解电容的参数选择会提出更高的要求，电容器电荷能量公式为：

这里C为电容器容量，v为电容器两端的电压，w为电荷能量。设直流变换器输出电压的纹波脉动频率为fR，电源输出功率为Po，在一个脉动周期内，电容先充电到最大值vp+，然后放电到最小值vp-，即产生的纹波电压为vpp= vp+- vp-，根据式（1），存在如下表达式：

即纹波电压与电容量成反比关系，如果电路产生了大的纹波电压，需使用更大容量的电容把纹波电压降下来，电容量越小纹波电压越大。如果纹波电压过高，则通过电容产生过高的纹波电流，从而导致电容内部温度升高，ESR增大，进一步加剧纹波电压的上升。同时，随着温度的上升，电解液汽化，经电容器的封口部位向外泄漏，内部的电解液不断减少，电容量减小。随着电解液量的减少，脉冲电流经由时产生的发热量增大，这样电容量减小、ESR上升，进一步加剧了劣化或失效过程。下示意图3表示加剧劣化或失效的过程。因此得到，混沌调制系统在设计和使用上都要限制输出电压纹波的幅度，否则，过高的纹波电压会加剧电解电容的失效，从而缩短整个开关电源产品的寿命。

图3电容失效的过程

2.2功率开关元件

功率开关元件主要是指功率晶体管和二极管整流元件，选择功率开关元件的重要参数是开关频率。混沌调制模式主要混沌占空比调制和混沌频率调制。

混沌占空比调制，频率固定，但开关管驱动脉冲的占空比基于额定占空比上下波动，是混沌变化的。由于频率值是常数，对开关元件的选择没有带来额外的要求。

混沌频率调制，频率不固定，开关管的工作频率在特定范围内混沌变化，基于额定值上下波动，对功率开关元件的选择要求更高一些，需要功率开关元件的工作频率具有较大裕量。

3　混沌调制失效对系统的影响

对一个混沌频率调制的PWM控制系统，如果混沌调制失效，则使调制信号变为周期信号，相比于标准的PWM技术，周期信号载波调制能降低EMI，但相比于混沌调制和随机信号调制技术会降低抑制EMI的效果［9］。

3.1模拟混沌发生器的关键元件参数

模拟混沌信号发生器以图4蔡氏电路为例。蔡氏电路中影响电路状态的关键器件是电阻R，由于热应力、潮湿等原因，导致阻值发生变化，进而信号发生器可能进入周期态，不能输出正常的混沌信号。

图4蔡氏电路

当R = 1 600 Ω时，电路为混沌态，调节电阻R的参数使其阻值在25%以内发生变化，测试电容C1与C2两端的电压相轨迹以做对比。图5是电感L = 18 mH时用PROTUES软件仿真得到的具体数据和相图。

图5蔡氏电路仿真

可见，电阻R的参数波动会对电路状态产生影响，从而直接影响混沌调制的效果，如果调制用的混沌信号脱离混沌态进入周期态，将起不到混沌调制的作用。

3.2数字混沌发生器的芯片性能

由于数字混沌信号发生器应用微控制器MCU或微处理器MPU集成电路，对浮点运算的处理都存在精度限制的范围。芯片在运算浮点数过程中会丢失信息，如果运算精度高，则丢失的信息少。由于数字混沌信号的产生一般运用离散映射进行数学迭代，迭代次数越多，则丢失的信息越多。芯片的浮点运算精度越高，变量保持混沌态的时间越长，但最终使迭代结果会表现出周期性，信号状态如图6所示。

图6脱离混沌态进入周期态的仿真信号

3.3软件仿真

在混沌占空比调制方案中，如果混沌调制变成周期调制，将会影响EMI抑制的效果。调制占空比的表达式可以定义为

d（t）= D+△d（4）

D是常规PWM时的占空比，△d是调制PWM时产生的占空比偏移量。由式（4），当△d为零时，PWM脉冲即为固定占空比D的常规PWM。当△d混沌性变化时，则PWM脉冲也混沌性变化。当△d周期性变化时，则PWM脉冲也周期性变化。如果混沌调制的外接混沌信号进入周期态，则△d为混沌性变化转变为周期性变化。从而混沌调制变为周期信号调制，周期性信号本身具有固定的频率，其功率谱是断续的，降低了集中在开关频率及其谐波上的电磁干扰，但相比于混沌调制其扩频效果要差一些。

下面通过仿真观察当蔡氏电路图4的电阻发生变化时，导致调制信号由混沌态到周期态时PWM脉冲和电感电流的变化。由蔡氏电路产生混沌信号接入直流Buck变换器的PWM控制模块。图7中依次从上至下是混沌态时信号vch、PWM、iL及其FFT波形。图8依次从上至下是周期态时信号vch、PWM、iL及其FFT波形。

图7混沌调制时Buck变换器的波形

由波形对比可以看出，当蔡氏电路由于电阻R发生变化，由混沌态转变为周期态，信号vch幅度明显增大，PWM波形出现了周期性地脉冲丢失现象，iL波形呈周期变化趋势，其FFT波形上基波及谐波处出现了明显峰值，使抑制EMI的作用减弱。同时，由于原本混沌态的电路进入周期态，使开关变换器系统中另外增加了一个意外的固定频率信号，增加了电容、变压器或电感等元件产生谐振的风险。

4　结论

图8周期调制时Buck变换器的波形

从故障预测与健康管理技术的角度对DC-DC变换器的使用寿命问题进行了研究。通过统计数据得出开关电源的最关键元器件是电解电容和开关晶体管。重点探讨了混沌调制对电解电容和功率开关元件的影响。由于实际电解电容ESR的存在，混沌调制产生的输出纹波对电解电容的使用寿命产生影响。不同的调制模式对功率开关元件的选择和使用会产生不同的影响，但混沌调制占空比模式对功率开关元件基本没有影响。从混沌调制失效间接影响电源使用寿命的角度，重点分析了模拟混沌信号发生器由于电路参数的离散性导致的混沌调制失效，以及数字混沌信号发生器由于MCU或MPU浮点运算精度的限制导致脱离混沌态。故开关电源的混沌调制发挥作用的两个前提要求是：混沌调制必须保证输出纹波在合理范围内；混沌调制所采用的混沌信号要避免脱离混沌态。

参考文献：

［1］ZHOU Y，BO J，WEI T. A review of current prognostics and health management system related standards［J］. Chemical Engineering Transactions，2013，33: 277-282.

［2］PECHT M，GU J. Physics-of-failure-based prognostics for electronic products［J］. Transactions of the Institute of Measurement and Control，2009，31（3-4）: 309-322.

［3］ORSAGH R，BROWN D，ROEMER M，et al. Prognostic health management for avionics system power supplies ［C］//Aerospace Conference，2005 IEEE. IEEE，2005: 3585-3591.

［4］SHAO X，LI X. A New Approach of Determining CriticalComponents in Electronic Systems Based on the Theory of PoF［C］//Computational Intelligence and Design（ISCID），2011 Fourth International Symposium on. IEEE，2011，2: 266-270.

［5］United States of America: Department of Defense. Military Handbook: Reliability Prediction of Electronic Equipment: MIL-HDBK-217F: 2 December 1995［M］. Department of defense，1995.

［6］LIFENG W，DU YINYU Z S，YONG G，et al. Effect of Electrolytic Capacitors on the Life of SMPS［J］. Journal of Convergence Information Technology and its Applications，2011，6（6）: 491-499.

［7］ABDENNADHER K，VENET P，ROJAT G，et al. A real-time predictive-maintenance system of aluminum electrolytic capacitors used in uninterrupted power supplies ［J］. Industry Applications，IEEE Transactions on，2010，46（4）: 1644-1652.

［责任编辑：吴卓］

［8］ZHENG X，WU L，GUAN Y，et al. Analysis of the degradation of MOSFETs in switching mode power supply by characterizing source oscillator signals［J］. Mathematical Problems in Engineering，2013.

［9］TSE K K，CHUNG H S H，HUI S Y R，et al. A comparative study of carrier-frequency modulation techniques for conducted EMI suppression in PWM converters［J］. Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2002，49 （3）: 618-627.

The Influence of Chaotic Modulation on the Remaining Useful Life of Switching-Mode Power Supply

SONG Yuhong
（School of Electronics & Information Engineering, Shunde Polytechnic, Foshan Guangdong 528333, China）

Abstract:Chaotic modulation could be used to reduce electromagnetic interference with switching-mode power supply, but its influence on the remaining useful life of switching-mode power supply is yet to be examined. This paper focuses on the critical components and their failure mode resulting in the failure of switching converters. Analyses and simulations are further conducted on the influence of chaotic modulation towards the critical components and that of the possible failure of chaotic modulation to the system.

Key words:chaotic modulation; switching-mode power supply; remaining useful life

作者简介：宋玉宏（1970—），女，湖北枝江人，副教授，研究方向：混沌控制用于开关电源的电磁干扰抑制。

基金项目：国家自然科学基金（61403264）。

收稿日期：2015-12-25

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.01.003

中图分类号：TN86

文献标志码：A

文章编号：1672-6138（2016）01-0008-05