電源供應器檢知手法實務探討

前言

日常所用的電氣用品當中，其輸入電壓範圍都在交流100~240伏特之間，依照負載狀況不同有相對應不同驅動方式，根據各種應用上的需要把電源做調整，其轉換的方式以下粗略可分為下列四種型式：

• 交流電轉交流電（AC / AC），如：變壓器
• 直流電轉直流電（DC / DC），如：LED驅動電源、
• 交流電轉直流電（AC / DC），如：直流電源供應器
• 直流電轉交流電（DC / AC），如：不斷電器系統中逆變器等。

目前十二吋廠所使用中的「交換式電源供應器」（Switching-Mode Power Supply，SMPS），轉換方式屬於交流電轉直流電（AC / DC），也就是俗稱的直流電源供應器，進行統計與調查其結果如 表1所示，使用數量最多為氣化課所屬的「特氣分流閥箱」(Valve Manifold Box，VMB)，使用50W 24VDC 2.1A數量高達568顆。

如此大量的直流供應器在線上使用如果缺少定期檢驗，勢必只能在系統發生問題時，才被動發現原來是電源供應器故障所導致。舉例最常發生故障即在無塵室內的VMB系統，當電源供應器異常立即影響PLC控制氣動閥功能，常使氣化課值班人員衝現場進行強供，以維持化學品持續供應。

本文即以此為發想，透過不良品的故障模式分析，找出可能的異常因素，並設計一套模擬衰減實驗進行驗證，建立一個異常數據指標，對電源供應器進行預防性的保養檢知，以減少系統突發異常的頻率，進而降低現場值班人員應變壓力與減輕負擔。

電源供應器介紹

電源供應器依電路結構的不同，可分為線性電源供應器與切換式電源供應器兩種，其架構與基本特性比較如 表2所示。

線性電源供應器^[1]

一般線性電源轉換器電路結構如 圖1所示，由變壓器、二極體整流器、電容濾波器和主動開關元件組成。其中低頻(50Hz或60Hz)變壓器將交流一次輸入電壓降至較低的二次側交流電壓，經整流濾波之後得到直流電壓。此直流電壓經串聯的主動開關元件連接到輸出端，輸出電壓被取樣後，與固定的參考電壓(V_ref)做比較，隨時調整其大小，而達到穩壓的目的。這種電路結構的優點是簡單、穩定度高、暫態響應快、可靠度高、漣波小、電磁干擾小。但缺點是效率低(40%至50%)，大部分能量以熱的形式消耗掉，且須加裝散熱片與散熱風扇，另外低頻變壓器體積龐大笨重，因此逐漸被淘汰。

切換式電源供應器^[1]

為克服線性式電源供應器大體積、高重量和低效率等缺點，而發展出如 圖2所示的切換式電源供應器。圖中之切換開關元件Tr（操作頻率一般在20KHz至1MHz的範圍）將整流後之直流高電壓切割成高頻準方波，經高頻功率隔離變壓器T後，在其二次側獲得事先設定的低電壓準位，再經由整流與濾波得到所需要的直流輸出。切換式電源供應器之優點為轉換效率高、體積小、重量輕和可直接作直流輸入等。雖然電路結構比線性電源供應器複雜，漣波及電磁干擾也較大；但在整體而言，仍優於線性式電源供應器為市場主流。

一般切換式電源轉換器依主電路結構，它可以分為「基本型轉換器」(basic converter)如 表3與「衍生型轉換器」(derived converter)如 表4兩大類。基本型轉換器又包括「降壓型」(buck)轉換器、「昇壓型」(boost)轉換器與「昇降壓型」(buck-boost)等幾種。其輸入端與輸出端之間，並無磁性元件作電氣隔離。電路中也僅有一個主動功率元件進行開關切換動作。此開關元件一般常用的有雙極性電晶體(BJT)、場效電晶體(MOSFET)與絕緣閘極電晶體(IGBT)。衍生型轉換器則是這三種轉換器的衍生型拓璞結構，例如「順向式轉換器」(forward)、「推挽式轉換器」(push-pull)、「返馳式轉換器」(flyback)等。

其中返馳式轉換器電路核心僅包括：高頻變壓器、功率電晶體、功率二極體及輸出電容如 圖3所示，為三種轉換器中最電路簡單、最少元件、最低成本且高可靠度。

失效分析

故障模式分析

針對廠內曾發生的電源供應器故障類型，將相對應的異常現象與失效原因還有對策陳列如 表5，發現失效的原因多為電源供應器的元件異常居多。

直接目視觀察元件異常現象，最常見的就是爆電容，電容器本體上方已經有膨脹的現象發生，另一種異常現象，會看到裏頭的電解液滲出，並有腐蝕電路板現象在如 圖4所示。

異常電容品質分析

電容是儲存電能的元件，理想的電容器其自身不會產生能量的損耗，但實際上導線、電極與絕緣介質皆有損耗，其表現就等於一個電阻跟電容串聯在一起，即「等效串聯電阻」(equivalent series resistance，ESR)如 圖5。

而異常電容元件其特性會有所改變，使用RLC儀表對廠內一不良品進行輸出電容品質量測結果如 表6，異常電容其容值C已大幅衰減，並且ESR與正常品相比明顯偏大，代表儲能的效率已經變得很差，已經失去一顆電容的功能。

其中，DF為「損耗因素」(dissipa-tion factor)，為交流電經過電容器，部分散逸掉的熱能與輸入的電能的比值，DF值愈小電容的儲能效率愈好，其定義如下：

θ為「功率因素」(power factor, PF)中的角度定義如 圖6，角度越接近-90，越近似於理想電容器，與DF關係如下：

電容壽命值分析

電容使用壽命取決於電解液的蒸發速度，同時也造成電氣性能降低，包含電容器的容值，漏電流與等效串聯電阻，損耗因素等。

引起電容失效因素主要有以下三點：

• 實際應用下的溫昇影響
• 實際應用的漣波電流大小
• 實際應用的電壓

因廠內使用的多為小電流穩定負載，忽略漣波電流大小與應用電壓影響下，可得與應用工作環境相關的估算公式如下：

此公式說明，電容壽命與實際環境工作溫度有指數級的關係，溫昇所造成的電容內部熱點提升是影響壽命主要因素，舉例：如廠商提供電容保證壽命：L1 (2,000hr)，與最高工作溫度：T0 (85度)，配合實際工作環境：Tx (35度)，推估可使用壽命為64,000小時(7.3年)。如有溫昇蓄熱造成工作溫度提升10度，壽命直接減至一半(3.6年)左右。

輸出電壓分析

電容器的電性改變會直接反應在輸出電壓波形上，主要有三成分組成如以下^[7]：

• 第一：開關所發生之電感電流漣波ΔIL與電容ESR成單純正比之漣波電壓
• 第二：電感電流漣波ΔIL與電容ESL所產生的方形波電壓
• 第三：電容靜電容量與負載的充放電波形

輸出合成波如 圖7，最下方波形成為最終之輸出漣波電壓波形。

漣波電壓的最差值概算常用的公式如下:

由此公式可知，衰減的電容量與增加的ESR會使得總合成的Vripple變大。於下節將設計一個衰減實驗，模擬長時間過後，電容量衰減反應在輸出電壓的現象，驗證以上說法。

電容衰減實驗設計

本章節設計一個電容衰減試驗，說明電容值衰減如何影響輸出波形，並由輸出漣波波形，檢測電容特性的變化。

實驗手法

使用一組正常電源供應器如 圖8，輸出有三顆電容C13、C14、C17並聯，除原本的電容量設計值470uF當作對照組(N0.1)，另使用四組(N0.2~5)較小電容作實驗組進行測試。電容特性先行使用RLC測量如 表7，說明變數只有電容量，而ESR偏小皆可忽略不計。

輸出漣波波形

輸出的漣波電壓V_Ripple與漣波雜訊電壓V_R&N(Ripple & Noise)定義如 圖9，茲量測後的儀器波形如 圖10，圖中的峰對峰值大小即可說明電容特性的好壞。

實驗結果與分析

純電阻性負載試驗

本節進一步使用水泥電阻（電阻性負載）進行測試，測試總共取100%、50%、33%、25%以及空載來進行量測，測試結果如 表8與 表9，繪成線性關係圖如 圖11和 圖12。

實驗結果說明，電容量減少會增加輸出漣波和漣波雜訊，且隨負載量增加而增加。而根據電源供應器規格表中，針對輸出漣波雜訊有其規範值通常介於100_mVp-Vp左右，觀察330uF測試組與470uF對照組的儀器量測波形，結果如 表10，330uF測試組的漣波電壓值為對照組的兩倍，且330uF測試組的漣波雜訊已超過規範(100_mVp-Vp)。

歸納以上故障分析與實驗結果可以達到以下結論：

• 負載量越大，會使得漣波電壓變化越明顯
• 電容量減少，會增加輸出漣波電壓與漣波雜訊電壓
• 漣波雜訊電壓的規範可參考廠商的規格，通常是100~150_mVp-Vp
• 依據經驗，漣波電壓通常小於10_mV代表供應器是正常的
• 電容器特性衰減，除電容量減少，亦使ESR增大，將得到更大的漣波變化量
• 隨著使用時間的增長，電容會自然衰減，環境溫度增加更加速衰減如 圖13所示
• 當電容器壽命已盡時如 表6的不良品案例，輸出波形很明顯可以看出異常如 圖14
• 數位式三用電錶僅量測電壓均值，得到電壓位準，無法得知漣波大小。

電源供應器檢測建議手法

溫度為影響電容壽命的主要因素，同時也是電源供應器故障重要原因之一，影響層面可分為兩種，一是內部元件本身的溫昇影響，二是外部的環境溫度影響。

在分析廠內實際安裝情況，本節歸納出3種建議檢查要點，主要分為：溫昇異常元件、電源供應器散熱問題、電源供應器輸出電壓檢查，分別說明重點如下。

電源供應器紅外線檢測儀檢測主要溫昇元件

因元件在長期高溫下，會造成元件本身及週邊元件之絕緣劣化，降低壽命，最常見的溫昇元件有電阻、二極體如 圖15所示。參考IEEE/SEMI規定，一般電氣設備檢測溫度界限值應小於95℃，大於140℃即列為異常設備。如進一步比對廠商的溫昇報告值，可更嚴謹定義其溫度界限值如 表11所示，精確檢視各元件工作溫度是否在正常範圍。

以 圖16為案例，參照廠內IR規定尚在正常範圍內，如又參考原廠滿載溫昇測試，實際已經超過電阻結果73.4度，元件已經開始發燙82度，且使電路板有燒黑痕跡，使用到最後蓄熱則會如最右邊所示燒毀。

電源供應器散熱問題

如電源供應器屬於機殼型無風扇設計，建議要符合原廠的配置方法如 圖17所示，因採用自然對流散熱，元件產生的熱可以通過散熱孔逸散出。實際舉例廠內VMB設備如 圖18，現場原先配置方式為(B+E)倒栽蔥方式擺列，電路板上所有的蓄熱將持續累積在基板上，無法透過散熱孔散熱，建議改以(A)方式透過正常熱對流的方式進行安裝。

另外，盤體內如果有變壓器或是電感器的設備，都要盡量地將電源供應器遠離這些熱源，或者是加裝風扇改善其操作環溫。

電源供應器輸出檢查

初步調查可以使用數位式三用電錶量測電壓均值，如廠內調查結果如 圖19，馬上查出有三只電源供應器已經異常，還有七只電源供應器電壓偏低，進一步可再使用示波器檢驗輸出的漣波電壓與漣波雜訊電壓，是否有漣波雜訊過大100_mVp-Vp的情況。如 圖20為例，初步檢測電壓有22伏特，使用示波器發現有很多漣波雜訊，最後調查發現，供應器的輸入電壓為110伏特，不過機身側邊的設定值竟然在220伏特，導致輸出電壓不穩定且偏低。

結論

透過本文故障分析與實驗結果推導，可知溫度是主要造成電源供應器壽命減少的重要原因之一，同時環境所造成蓄熱或散熱不良都將導致電源供應器上的元件提早衰減，並產生一些發熱或是造成輸出漣波電壓波形過大。根據經驗，輸出漣波雜訊電壓通常介於100~150_mVp-Vp且漣波電壓要小於10_mV，代表供應器是正常的。本文對電源供應器檢測建議手法提出三個重點，即強化熱顯像儀器對供應器元件溫昇檢知的能力，並對氣化課VMB系統提出改善措施、增加其供應器的穩定度，同時也幫助水課系統進行電源供應器掃雷，找出潛在異常的電源供應器，未來可將本文的實務經驗導入各個廠區，期能降低突發的電源供應器故障情況，增加系統的穩定度，擺脫系統上的不定時炸彈。