48V转5V电源电容发热严重、爆浆原因解析

ID:104059 · 发表于 2016-1-22 04:17

入手的48V转5V的电源模块，图中红色标记1000uf的电容为原板子上的，
有几个板A电容爆浆，有1个板子没有爆浆，
将这个没有爆浆的电源带2A负载，A电容相对B电容温度高，10min到烫手的感觉；
将爆浆的电源的A、B电容都更换为470uf的（手头没有1000uf的），同样带2A负载，A电容发热严重，没法摸；B电容相对好一点；

由此可见，A电容爆浆的原因是过热引起的，
那么，发热原因是电容的容量低导致的吗？还是这个地方电源设计存在缺陷呢？
还请高人指点一二，谢谢！

右下脚简单画了两个电容及电感的示意图，其它没画出来，这个应该是常见的结构吧

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。

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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。
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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。
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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。
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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。
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输出电压还算准，在误差范围内。
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测量3842震荡脚波形。
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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。 220848xw8hkbkyz8svkvvk.jpg.thumb.jpg

增加mos驱动信号测量。
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没有问题，输出很稳定。
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增加输出负载 5r1 9s
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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。
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增大负载 5r1 2s
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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。
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放大可以看到两个连续的脉冲宽度不一致。
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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。
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继续增大负载 5r1 1s
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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。 221550a4xvuukbk0dz4bv6.jpg.thumb.jpg

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。
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一个通道测输出脉冲，一个通道测电源输出波形
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先看看轻载状态，负载 5r1 9s
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输出电压4.98

输出良好，没有明显波纹
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增大负载 5r1 2s
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输出脉宽开始有震荡，但输出电压没有明显恶化
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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。
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那就看看输出电抗滤波前波形如何
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轻载不看了，直接看 5r1 2s 223721gjjrvh8jlyv1hjfu.jpg.thumb.jpg

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。
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返回头看一下空载状态
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也有明显波纹，只是幅值较小
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加大负载 5r1 1s
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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
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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。
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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。
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负载 5r1 2s

反馈环路稳定，没有大起伏
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增大负载 5r1 1s
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反馈略有起伏，但应该不至导致这么大的占空比变化。
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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。
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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。
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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
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换上个相近的330p试试 231155vd3bde2j3qq2j3de.jpg.thumb.jpg

负载 5r1 1s

没有太大的变化，还是占空比还是不稳定
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在一个相当别扭的地方找到了一次电流采样点
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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。
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增大负载，5r1 1s
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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。
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增大斜率补偿电容

测量一次电流与输出脉宽
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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
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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 141349g9szhfhedffb9bhh.jpg.thumb.jpg

还是 5r1 1s 负载
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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
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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。
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负载不变 5r1 1s
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有效果了，稳定工作在电流连续模式
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放大一次电流通道，可以看到一次电流不是从零开始的。
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对比看一下电流反馈补偿后信号
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可以看到斜坡补偿量大约是电流反馈值的一半
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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。
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因为电压升高，一次电流斜率增加
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增大负载 5r1 2p ，看看输出2a的情况
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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
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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。
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所以再看一下次级整流前后波形
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负载 5r1 1s，以控制电容温度
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一次电流有所变化，不知为何，也许跟磁环破碎有关
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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
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再看一下重载情况，负载5r1 2p
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一次电流较之前反而有所减少
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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
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再看一下空载状态

空载电流不小，还可接受
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空载小电流时也可看到电压上升
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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
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依然测量次级整流前后波形
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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
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再看下2a输出，负载 5r1 2s
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输出电压接近4.92
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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
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试一下小容量的，理论上lsr会小一些
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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
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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
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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
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在并一个cbb看看能不能把尖峰吸收掉
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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
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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 221002jrzjuog7zgduy1zg.jpg.thumb.jpg

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。
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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
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看到一次电流上升，看来损耗更大了
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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
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那么理论上cbb电容高频更好，如果用cbb会是什么效果呢
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因为容量差距太大，先看一下空载情况
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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
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看一下滤波电抗后的效果 222236ovz6i0p7dpxgwhqh.jpg.thumb.jpg

输出电压波动，看来单独滤波电抗后470uf电容作用还是有限
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试试稍微轻载的状态， 5r1 9s
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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
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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
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那既然容量小，在并联一个怎么样
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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
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再看一下此时输出波形什么变化
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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。
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于是有了这么无聊的杰作，具体几个自己数吧
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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
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这是整流后波形，很顺滑，但有明显起伏，看来容量还是不足
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试试1a输出怎么样，负载5r1 1s
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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
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再看一下输出波形

输出有所上升，大约0.03v 224141qbb35jjuwhdhwqcq.jpg.thumb.jpg

是幻觉吗？输出电压上升，输入电流下降，效率提升了吗？
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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
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一次电流依然是小于之前值，不过输出不稳定没有可比性
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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

ID:249545 · 发表于 2017-11-23 22:35

降压幅度太大,变成PWM脉宽很窄,很窄的话就使电容充放电的V P-P值很高,在ESR作用下,电容发热--->爆--->浆!

ID:73762 · 发表于 2017-11-26 23:09

学习了，图文并茂

ID:255070 · 发表于 2017-11-29 10:47

有可能是纹波较大，加大电容有点效果，最好还是调好参数

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48V转5V电源电容发热严重、爆浆原因解析

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