[發(fā)明專利]一種基于FSR法的DC-DC電源模塊薄弱環(huán)節(jié)的確定方法

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• 申請日: 2021-09-27
• 公開（公告）號: CN113901685A
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高成;雷鑫;黃姣英
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于FSR法的DC-DC電源模塊薄弱環(huán)節(jié)的確定方法，其特征在于：它包括以下步驟：

步驟一：選定DC-DC電源模塊，分析其工作原理和結(jié)構(gòu)組成，明確DC-DC電源模塊具體參數(shù)，選擇DC-DC電源模塊的重要研究參數(shù)，探究其內(nèi)部元器件組成；

步驟二：調(diào)研并總結(jié)DC-DC電源模塊內(nèi)部元器件失效模式以及失效機理，形成相應(yīng)元器件失效模式和失效機理記錄表，確定該型DC-DC電源模塊的嚴(yán)酷度等級，形成FMEA表；根據(jù)FMEA表進(jìn)行分析，得出該型DC-DC電源模塊理論薄弱環(huán)節(jié)；

步驟三：確定建模軟件以及有限元仿真軟件，為保證仿真的精確度和簡便度，提出相應(yīng)的仿真簡化原則，確定仿真的總體流程，測量DC-DC電源模塊內(nèi)部元器件尺寸，對DC-DC電源模塊各元件進(jìn)行建模并裝配，得到DC-DC電源模塊的裝配體模型；

步驟四：給出DC-DC電源模塊建模各元器件材料參數(shù)和特性，計算主要發(fā)熱器件的功率，主要發(fā)熱器件包含MOS管、肖特基二極管、變壓器、電感、電容以及芯片等元器件，發(fā)熱器件功率計算如下：

1、MOS管：

式中：

P_on是導(dǎo)通損耗功率，單位W；

I_rms是電流有效值的平方，單位A；

R_DS(on)為MOSFET導(dǎo)通時的電阻，單位Ω；

2、肖特基二極管

式中：

V_fp為二極管正向?qū)▔航担瑔挝籚；

I₀為二極管輸出電流，單位A；

P_DR-on為通態(tài)損耗，單位W；

3、變壓器

式中：

S為磁芯橫截面積，是指繞組所包裹的那段芯柱的橫斷面的面積，單位m²；

4、電感

式中：

L為電感值，單位H；

I為電流值，單位A；

F為電路頻率，單位Hz；

5、電容

式中：

C代表電容容值，單位為C；

U代表電容正向耐壓值，單位為V；

6、芯片

芯片的功率通過查閱手冊獲得；

計算并給出仿真的載荷施加條件，載荷施加條件在有限元仿真軟件中用熱生成率來表示，熱生成率的計算公式如下：

H_G＝P/V

式中：

P為器件功耗，單位為W；

V為器件體積，單位為mm³；

H_G為熱生成率，單位為W/mm³；

步驟五：有限元仿真及分析：緊接步驟四，將建立好的DC-DC電源模塊的模型導(dǎo)入有限元仿真軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并檢查質(zhì)量，符合要求后進(jìn)行仿真，對仿真得到的溫度云圖進(jìn)行分析，得出該型DC-DC電源模塊仿真薄弱環(huán)節(jié)；

步驟六：可靠性強化試驗設(shè)計：選擇3只以上DC-DC電源模塊進(jìn)行試驗，以溫度應(yīng)力和電應(yīng)力作為試驗應(yīng)力，明確產(chǎn)品的工作極限和破壞極限，溫度應(yīng)力采取步進(jìn)的加載方式，電應(yīng)力保持不變，溫度應(yīng)力步進(jìn)增量確定為10℃，停滯時間定為30分鐘，在全部受試產(chǎn)品都失效的情況下停止試驗；

步驟七：試驗平臺的搭建：用恒溫箱提供熱環(huán)境，將DC-DC電源模塊放入恒溫箱中，相關(guān)端口由導(dǎo)線引出，其中電源模塊的“INPUT+”和“INPUT-”分別接直流電源的正極和負(fù)極，“OUTPUT+”和“OUTPUT-”分別接萬用表的紅表筆和黑表筆，萬用表置于直流電壓檔，示波器測量其紋波電壓，待溫箱內(nèi)溫度穩(wěn)定時開始根據(jù)設(shè)計的試驗剖面進(jìn)行通電試驗，測量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；

步驟八：數(shù)據(jù)分析與薄弱環(huán)節(jié)分析：根據(jù)測量數(shù)據(jù)判斷DC-DC電源模塊的工作極限和破壞極限，對失效的DC-DC電源模塊進(jìn)行分析，結(jié)合理論薄弱環(huán)節(jié)和仿真薄弱環(huán)節(jié)，確定DC-DC電源模塊的最薄弱環(huán)節(jié)。

通過以上步驟，能利用FSR法精確地定位DC-DC電源模塊的薄弱環(huán)節(jié)；為器件設(shè)計人員提供提升器件可靠性的依據(jù)，為器件延壽工作提供有力支撐。