freesl的48V转5V的电源模块电容高热原因检测与维修

kangdage

freesl的求关于48V转5V电源电容发热严重、爆浆原因文中提到2a负载时两个输出电容严重发热，一个烫手，一个温度高。
两个电容隔着一个输出电抗，温度不同说明输出电抗有效。
电抗前电容高温可能跟输出波纹有关，因为反激变换器输出波纹本身就大。
而输出电抗后电容高温就跟波纹没有关系了，怀疑输出电压不稳，有震荡。


初看起来这个电源板做工一般，而且是通用设计。
上面有直流供电不需要的emi电感和电容。
这个板子应该是换个变压器和几个电阻就可以适应各种输入输出。


可见freesl也是下了不少功夫的，用记号笔仔细的标注了输入输出电源的正负极。


因为电源只是带载下电容发热，没有别的问题，所以直接加电。


输入加压到23.3v开始有输出，此电压即使这个电源设计的最低启动电压。


输出电压还算准，在误差范围内。


测量3842震荡脚波形。

黄色通道悬空，震荡整齐，频率87.85khz。
三角波上的尖峰是mos关断引起的，正常干扰。
增加mos驱动信号测量。

没有问题，输出很稳定。

增加输出负载 5r1 9s

输出电压没有变化

输出脉冲宽度略有增加，幅值也有所增加。

增大负载 5r1 2s

电压略有下降

脉宽明显增加，幅值基本没再变化。感觉脉宽有点抖动。

放大可以看到两个连续的脉冲宽度不一致。

开启余晖显示，可以看到输出脉冲有两个宽度。
符合我之前的推断，此电源在输出电压稳定性方面有问题。

继续增大负载 5r1 1s

输出电压进一步下降

波形更加混乱，甚至震荡频率都改变了。

暂停下可以看到，连续脉冲宽度差异极大，而且震荡周期也有所改变。


一个通道测输出脉冲，一个通道测电源输出波形


先看看轻载状态，负载 5r1 9s


输出电压4.98


输出良好，没有明显波纹


增大负载 5r1 2s


输出脉宽开始有震荡，但输出电压没有明显恶化


5r1 1s负载，输出电压仍然没有明显波纹，看来输出电抗滤波效果确实不错。


那就看看输出电抗滤波前波形如何


轻载不看了，直接看 5r1 2s
看到波纹了，在mos关断后，电压迅速上升，确实是lsr过大导致的。
从图上看峰值大概有0.5v。

返回头看一下空载状态

也有明显波纹，只是幅值较小


加大负载 5r1 1s


开着余晖有点混乱


关上余晖，清楚地看到波纹尖峰，负载加倍尖峰增加不多


宏观一点看看。
这里可以看到，波纹不小，但却没有多少电压降，也就是说电容容量是足够的。
只是交流内阻大，交流攻好高，导致发热严重。


测量一下反馈输出部分，看看输出环路不稳是反馈的问题还是控制的问题。


负载 5r1 2s


反馈环路稳定，没有大起伏


增大负载 5r1 1s


反馈略有起伏，但应该不至导致这么大的占空比变化。


测量光耦供电端


负载 5r1 1s


供电取的滤波电抗前，所以有波纹，不过对比431输出端波纹。
发现光耦波纹应当是互相抵消了，也就是说实际光耦驱动电流基本没波纹。


偶然发现变压器磁环有裂纹，电感量减小应当也是波纹大的原因之一。
不过freesl有测试过没有损坏磁环的电源，也是一样发热，所以暂且忽略这个问题。

如果反馈环路稳定，而占空比不稳定。
这是如果想要占空比稳定，就要通过斜率补偿的方法。
电源原设计有斜率补偿，看来工作不正常或是补偿不足。
拆下，原值是201

换上个相近的330p试试
负载 5r1 1s

没有太大的变化，还是占空比还是不稳定

在一个相当别扭的地方找到了一次电流采样点

负载 5r1 2s

一次电流正常，电流不连续，磁芯没有饱和迹象，占空比还算稳定。

增大负载，5r1 1s

可以看到一次电流在一个周期内无法上升到需要的设定值。
而二次电流在大半个周期内就下降到零，如此反复导致一次电流二次电流都较高。
由此产生的开关损耗，整流损耗，电容损耗都高。
不知道这个电源设计输出能力是多少，目前来看这个电源设计工作在非电流连续模式与电流连续模式之间。
当前电源正处在两模式转换的状态，工作不稳定，需要增加斜率补偿以使工作状态稳定。

增大斜率补偿电容

测量一次电流与输出脉宽

还是没有变化

发现一个反馈上拉电阻，在一般的电源里没有这个上拉，一般都是一个下拉，去掉试试

还是没有一丝变化

增大一次电流反馈电阻，原值是1k，增大一倍看看
还是 5r1 1s 负载


略有小成，可以看到每三个脉冲一个周期，其中有一个周期成功工作在电流连续模式


不敢再加大斜率补偿电容了，因为没有缓冲，补偿电容太大会过多分流震荡电容的充电电流，影响震荡频率。
所以减小采样吸收电容试试，一样可以增大斜率补偿比例，原值是103，减小到跟补偿电容一样。


负载不变 5r1 1s


有效果了，稳定工作在电流连续模式


放大一次电流通道，可以看到一次电流不是从零开始的。


对比看一下电流反馈补偿后信号


可以看到斜坡补偿量大约是电流反馈值的一半


提高供电电压到最大输出。31.2*0.29=9.048，此时输出大约4.93*（4.93/5.1）=4.77
效率大约4.77/9.048=52.67%，还算可以，一般反激电源效率都在60%上下，很难做得很高。


因为电压升高，一次电流斜率增加


增大负载 5r1 2p ，看看输出2a的情况


一次电流增长，输入功率约31.2*.46=14.352，输出功率约4.93*（4.93/5.1/2）=9.53
效率9.53/14.352=66.41%，效率有所上升


一次电流增大，尤其是基值明显增大。
占空比稳定，没有忽大忽小的问题此时工作五分钟，滤波电抗后的电容没有温度，但滤波前电容依然烫手
看来滤波前电容发热确实跟lsr有关，跟占空比震荡也有一部分关联。
因为此时的温度跟原始1a输出时温度相当。


所以再看一下次级整流前后波形


负载 5r1 1s，以控制电容温度


一次电流有所变化，不知为何，也许跟磁环破碎有关



可以看到在反激输出时，电容电压突然上升，然后随二次电流一起缓慢下降
当一次mos开通时，电容电压恢复，开通期间没有明显的电压降，说明容量是够的


再看一下重载情况，负载5r1 2p


一次电流较之前反而有所减少


可以看到上升过冲较为明显，但幅值并没有成倍增加，而且因为电流连续，关断时有震荡


再看一下空载状态


空载电流不小，还可接受


空载小电流时也可看到电压上升


因为怀疑freesl备件的品质（freesl见谅，因为你上次的mos是拆机件），所以更换同容量的国产新品


依然测量次级整流前后波形


空载状态


输出电压一致


波形也差不多，反而我这个上升过冲更加明显


再看下2a输出，负载 5r1 2s


输出电压接近4.92


果然过冲震荡更加明显，看来我的备件品质更差一些
发热情况差不多，依然是只有滤波前电容烫手，滤波后电容没有温度


试一下小容量的，理论上lsr会小一些


焊在背面方便些

还是2a输出，可以看到尖峰略有下降，幅值也有所降低，但发热却更加快速
看来lsr确实是小，但好像热容量小的更多，也就是功率容量小


既然原设计是1000uf，那必然有它的道理，手上只有35v的，换上试试


可以看到，尖峰幅值跟470uf差不多，但幅值明显下降更加平坦
此时再摸电容，基本感觉不到温升


在并一个cbb看看能不能把尖峰吸收掉


尖峰幅值没有变化，但震荡频率明显下降，应该是对吸收有作用


那既然是lsr的问题多个电容并联是不是会有效呢
试一下刚刚发热迅速的220uf
一次电流没有变化

尖峰进一步下降，但幅值基本没变化，而且发热情况并没有改善
看来小容量并联还是有一定局限的。

看到整流后电压没有太大跌落，心想滤波电容容量应该是足够的，那如果单个电容容量再小一点呢




看到一次电流上升，看来损耗更大了


果然幅值明显增大，甚至大过了单个220uf，但尖峰小了不少，比两个220uf都要低
看来常说的大电容要并小电容是有道理的


那么理论上cbb电容高频更好，如果用cbb会是什么效果呢


因为容量差距太大，先看一下空载情况


果然，容量严重不足，输出电压波动明显，但仔细看波形顺滑没有电解的毛刺和跳变


看一下滤波电抗后的效果
输出电压波动，看来单独滤波电抗后470uf电容作用还是有限

试试稍微轻载的状态， 5r1 9s

输出电压波动增加，振幅达到0.6v左右，这种输出是不达标的

再看看整流输出波形，振幅都达到4v了，此时输出电抗后电容以有一点温度了
但cbb还是冰凉的，可见cbb的高频性能确实比电解强多了

那既然容量小，在并联一个怎么样

震荡幅值瞬间减半，这并联的效果比电解好多了，看来cbb可以通过并联的方式提高效果
而电解更适合多等级电容并联

再看一下此时输出波形什么变化

因为前级振幅减半，所以滤波后平坦很多
至此这个电源已基本可以治愈出院了，但总想压榨点东西出来。

于是有了这么无聊的杰作，具体几个自己数吧

先看一下输出波纹

大有改观很平坦，就是不知这些噪声是哪里来的，大约是别处传进来的干扰吧，明显跟这个电源不是一个频率

这是整流后波形，很顺滑，但有明显起伏，看来容量还是不足

试试1a输出怎么样，负载5r1 1s

整流后振幅1v左右，开通瞬间有明显震荡，甚至不如两个220uf吸收的好，看来并联效果也是有限的

再看一下输出波形

输出有所上升，大约0.03v
是幻觉吗？输出电压上升，输入电流下降，效率提升了吗？

输出波纹还可接受

看看2a是什么状态

搞怪吧，很滑稽的曲线，这应当是反馈环路低频震荡导致的

一次电流依然是小于之前值，不过输出不稳定没有可比性

看一下整流前后的波形

更加滑稽的曲线，看来如果要用cbb的话是需要调节一下反馈环路了
此时因为输出电压低频震荡，所以电抗后电解有一点温

至此次电源维修告以结束，不知freesl还算满意否，有什么不清楚的地方还请明示
这里总结一下，此电源电容发热主要有两部分原因。
一是一次控制环路不稳定，变压器电感量不理想，导致系统工作在连续电流与非连续电流两种模式之间。
同时斜坡补偿不足，导致一次环路震荡，使输出不稳定，导致电容频繁充放电，发热。
解决方法：1.重绕变压器，使工作模式稳定。2.增加斜坡补偿比例，增大系统稳定性
二是电容选择不合理，原电容在这里应该是可以长期工作的，但推荐再并联一个大容量cbb吸收一下

由这个电源学习到
小电解虽然lsr相对较低，但功率容量也低，有时并不一定能获得更好的滤波效果
如果想要更好的滤波效果，就需要各种容量各种类型的电容合理搭配

kangdage

占位留用，已完结

hbcjs

等下文。。。。。

dongdonghao

有点深，没看太明白。LZ好技术！

ksd

好漂亮的示波器，技术型文章，顶贴！

fiend

好文章，顶贴。若能对照电路图讲解就容易理解了

徐利达

有没有弄好  看了这么多貌似没解决问题  我也有一个电源也是输出电容发热

四哥!

好文章，顶贴。若能对照电路图讲解就容易理解了

freesl

期待下文，这个电压低点的电源可以研究研究，比如你说的换个变压器和电阻等等

火鸟

好深奥啊，等待下文