스위칭 전원과 리니어 전원회로의 불량 원인 및 대책 -2.▣ 트러블 증상 및 추측▣

[리페어센터]

1. 트러블 증상 및 추측

(1)증상분류

전원회로의 트러블로 크게 나누면 다음과 같은 증상을 생각할 수 있다.

① 기동하지 않는다.

② 출력전압 이상

③ 출력 리플이 크다

④ 이상 발진

⑤ 출력의 오버슈트

⑥ 파손

=> 전혀 동작하지 않는다

원인	조사/대책 방법 힌트
필요한 부분에 전원이 공곱되지 않고 있다	-입력단자, 파워회로, 드라이브 회로, 제어회로 등 각 부에 전원이 공급되고 있는지 확인한다.
컨트롤 IC가 동작하지 않고 있다	-IC에 전원이 공급되고 있는가? -OFF 모드로 되어있지 않은가? -과열보호가 작동하고 있지 않은가?
컨트롤 IC가 출력 펄스 폭을 압축하고 있다	-신호입력 핀의 전압체크
컨트롤 IC가 파손되어 있다	IC를 교환해 본다

=> 순간적으로 동작하지만 그 후에는 기동하지 않는다

원인	조사/대책 방법 힌트
과전압 보호회로가 동작하고 있다	-출력에 과전압이 발생하고 있지 않은가? -과전압 설정 값이 통상처럼 때보다 낮은 전압으로 설정되어 있지 않은가?
과소전압 검출이 동작하고 있다	-출력전압 상승이 느리고 과소전압 검출회로가 동작하고 있지 않은가? -과소전압 검출전압이 높게 설정되어 있지 않은가?
과전류 보호가 동작하고 있다	과전류 보호가 숏다운형인 경우와 간헐 동작형인 경우 오동작하고 있지 않은가?
입력 공급전원 용량부족	입력 공급전원의 용량이 부족하면 기동할 수 없게 되거나 간헝 동작하는 경우가 있다.

=> 특정부하인 경우기동하지 않는다

원인	조사/대책 방법 힌트
기동 시 대 전류가 흐르는 부하가 접속되어 있다	모터, 팬, 전구, 히터 등 기동시 큰 전류가 링요하지 않은가?
입력전압이 낮을 때 부하에 대 전류가 흐른다	모터, 팬, 전구, 히터, DSP, ASIC, FPGA 등의 소비전류 체크
과전류 보호가 ㄱ자 특성이다	ㄱ자 특성인 경우 저항 부하에서는 문제없지만 정전류 부하에서 기동되지 않는 경우가 있다.
과전류 보호가 숏다운형이다	과전류 상태가 일정시간 계속되면 숏다운 하므로 대용량 콘덴서가 부하에 접속되어 있을 경우 기동하지 않을 수 있다.
전원에 출력용랼 제한이 있다	숏다운 후 재 기동하는 것이라도 대용량 콘센서가 접속되어 있으면 기동하지 않는다.

(2)전원회로가 기동하지 않는 경우

이 경우에 관해 살펴보면 그 증상은 다음과 같이 분류할 수 있다.

① 전혀 동작하지 않는다.

② 순간적으로 동작하지만 그 다음에는 기동하지 않는다.

③ 특정 부하인 경우, 기동하지 않는다.

①의 전원회로가 전혀 동작하지 않는 경우, 원인으로는 다음과 같은 점을 추측할 수 있다.

- 필요한 부분에 전원이 공급되지 않고 있다.

- 컨트롤 IC가 동작하지 않고 있다.

- IC가 어떠한 원인으로 출력 펄스 폭을 조이고 있다.

- 2차 회로가 쇼트 또는 오픈하고 있다.

이상과 같이 트러블의 원인을 압축하고 그 부분에 관해 조사한다.

(3) 실제 트러블 슈팅을 위해

다음과 같은 내용은 대표적인 것으로, 전원에 따라서는 해당되지 않는 경우도 있고, 기재되지 않은 증상이나 원인도 많다고 생각된다. 실제 트러블슈티에서는 필요에 따라 항목을 추가 수정하면 보다 실용적인 체크 리스트가 될 것이다.

=> 리플이 크다

원인	조사/대책 방법 힌트
평활 콘덴서의 용량이 모자람	평활 콘덴서의 용량 확인
평활용 초크 코일의 인덕턴스부족	-인덕턴스값 확인 -평활용 쵸크 코일의 인덕턴스가 직류전류 중첩에 의해 저하되거나 자기포화하고 있지 않은가?
스위칭 주파수가 낮다	스위칭 주파수 확인
이상 발진	스위칭 주파수와 관계없는 주파수의 리플이 나오고 있다면 이상 발진일 가능성이높다
저조파 발진	제어회로에 노이즈가 들어왔을 경우 등 스위칭 주파수의 수 사이클에서 1주기가 되는 저조와 발진을 일으키는 경우가 있다.
로우 패스 필터와의 유도나 경합	출력 필터회로가 전자기적으로 리플을 흡수하는 경우가 있다.
부하의 변동에 의한 과도응답	부하전류가 변화되면 그에 따라 출력전압도 변화되므로 리플이 크게 보일 경우도 있다.

=> 스파이크 노이즈가 크다

원인	조사/대책 방법 힌트
스위칭 속도가 너무 빠르다	게이트 저항의 저항값이 작은 경우 등, 스위칭 속도가 빠르면 노이즈 발생도 커진다
스위칭 타이밍 이상	공진전원 등의 스위칭 타이밍이 어긋나면 노이즈 발생이 커진다
스너버 회로의 문제	스파이크 흡수용 스너버 회로가 저상 동작하고 있지 않는 등
트랜스 등의 문제	트랜스 구조 등에 의한 누설 자속이나 1차-2차간 결합 등
실드 문제	실드를 잡는 방법 등 노이즈 대책 문제
전자적 결합	배선, 부품배치 등

2. 증상이 재현도지 않는 경우

트러블을 확인하려고 해도 재현되지 않는 경우가 있다.

전원이 이상 발진하는 경우의 증상과 원인

=> 낮은 주파수에서의 간헐 발진

원인	조사/대책 방법 힌트
입력 공급전원의 용량부족	-입력전압을 확인한다. -DC/DC컨버터인 경우 입력의 콘덴서 용량이 적으면 순간적으로 전압이 부족해질 경우가 있다.
과전류 보호회로의 오동작	과전류 보호회로 속에서 과전류로 숏다운되어 그 후에 복귀하고 다시 숏다운을 반복하는 것이 있다.
프라이머리 제어방식에서의 보조전원 기동불량	프라이머리 제어방식으로 메인 트랜스의 탭에서 보조전원(제어회로의 전원)을 공급하는 것인 경우, 일정시간 내에 출력전압이 확립되지 않으면 간헐 동작하게 된다.
피드백계의 위상지연	제어계의 응답이 극단적으로 지연되는 경우에는 간헐발진될 가능성이 있지만 일반적으로는 있을 수 없다.
과열보호 동작	과열보호가 작동하면 정지 후 온도가내려가 재 기동하고 다시 과열보호동작을 반복한다.

=> 저주파에서의 발진

원인	조사/대책 방법 힌트
피드백계의 위상지연	제어계의 위상 특성에 문제가 있으면 이상발진한다.

=> 비교적 높은 주파수에서의 발진 또는 지터

원인	조사/대책 방법 힌트
제어회로에 미치는 노이즈영향	제어회로에 스위칭 노이즈가 들어가면 지터나 비교적 높은 주파수에서 이상 발진을 일으킨다.

=> 입력전압이 발진한다.

원인	조사/대책 방법 힌트
입력회로에서의 발진	-입력 임피던스가 높으면 입력회로에서 발진하는 경우가 있다. -콘덴서 등에서 입력 임피던스를 내린다.

전원 오버슈트의 증상과 원인

=> 기동 시의 오버슈트

원인	조사/대책 방법 힌트
소프트 스타트 회로의 문제	기동시 펄스 폭을 서서히 확산시키는 소프트 스타트회로가 기능하지 않고 있다.

=> 부하 급변 시의 오버슈트

원인	조사/대책 방법 힌트
제어계 위상 특성문제	제어계의 응답이 늦으면 오버슈트나 링잉이 발생한다.

=>과전류 상태 해제 시의 오버슈트

원인	조사/대책 방법 힌트
제어계 위상 특성문제	과전류 제어에서 전압제어로 이행될 때 전압제어 지연에 의해 오버슈트가 발생하는 경우가 있다.

일반적으로 다음과 같은 것이 원인이다.

- 특정 조건이 원인인 것

- 접촉불량이 원인인 것

특정 조건에서만 발생하는 것은 트러블 발생 시와 같은 조건에서 확인하면 재현이 가능하다. 접촉불량 상태로는 재현이 상다히 어려울 경우도 있지만 다음과 같은 방법으로 재현할 수도 있다.

(1) 기기에 진동을 가해 본다.

파괴되지 않을 정도로 가볍게 진동이나 충격을 준다. 전체나 부분적으로 충격을 가함으로써 접촉불량인 장소를 찾을 수 있는 경우도 있다.

프린트 기판 등은 가볍게 누르고 뒤로 접히면 접촉불량이 발견되는 것도 있다. 부품 등을 파괴시키지 않도록 가볍게 시행하는 것이 요령이다.

(2) 가열하거나 냉각시켜 본다.

가열하면 열 팽창으로접촉 불량 부분이 연결되거나 분리되는 경우가 있다. 또 통전 후 얼마 되지 않아 자기발열로 온도가 올라가므로 온도에 의해 동작이나 특성이 급격히 변하는 경우, 접촉불량의 가능성이 있다. 이러한 현상을 확인할 때 전원을 전체적 또는 부분적으로 가열하거나 냉각시킴으로써 발견할 수 있는 경우가 있다.

불량개소를 특정짓고 싶은 경우, 부분적으로 가령하면 때체로 그 장소를 추정할 수 있다. 부분적으로는 가열할 때 헤어 드라이어를 사용하면 편리하며 부분적인 냉각에는 냉각 스프레이 등을 사용한다. 단, 드라이어로 가열할 때 과열되지 않도록 주의한다.

전원이 파손되는 경우의 증상과 원인

=> 기동시 파손

원인	조사/대책 방법 힌트
모든 원인	설계에 문제가 없는 것(똑같이 설계한 다른 것은 동작하고 있을 경우 등)과 배선에 문제가 없다는 것을 먼저 확인한다. 서서히 입력전압을 가하면서 각 부의 전압이나 파형 등을 관찰한다. 그리고 파손에 이를 때까지 이상 동작ㅇㄹ 발견한다. 특히 입력 전류에는 주의한다. 가급적 부담이 가벼운 상태에서 기동하고 이상 개소를 탐색한다.

=> 출력단락 시 파손

원인	조사/대책 방법 힌트
과전류 보호회로가 없는 경우	과전류 보호회로가 없는 전원은 출력을 단락하면 파손되는 것이 일반적이다.
과전류 보호회로의 특성문제	- 전류 보호가 있어도 특성에 따라서는 단락 시 대 전류가 흐른다.
	- 설계값 분산으로 설정값이 너무 큰 경우에는 파손에 이를 수 있다.
과전류 보호회로의 응답이 늦은 경우	과전류 보호회로의 응답속도가 늦으면 보호가 작동되기 전에 파손에 이른다.
평활 쵸크 코일의 포화	과전류 상태에서 평활 쵸크 코일이 포화하면 과전류 보호가 정상적으로 이루어지지 않아 출력전류가 중가, 파손에 이르는 경우가 있다.

=> 출력단락 해제 시 파손

원인	조사/대책 방법 힌트
과도 시의 트랜스 포화	출력단락 해제 시는 PWM 제어로 전류제한이 해제되고 전압에 의한 제한이 걸릴 때까지의 사이에 펄스 폭이 전개될 가능성이 있다. 이 때 포워드 컨버터에서는 1사이클 속에 리셋이 완료되지 않아 트랜스가 포화하는 경우가 있다. 이럴 때는 트랜스의 포화에 의해 1차 회로전류가 커지며 그에 따라 스파이크 전압도 높고 전력손실도 커져 어딘가 파손에 이른다.

=> 입력전압이 높을 때 파손

원인	조사 방법 힌트
과대전압	스위칭 소자나 정류소자의 동작전압, 정격을 확인한다.

=> 입력전압이 낮을 때 파손

원인		조사 방법 힌트
트랜스의 포화	입력전압이 낮으면 퍼스 폭이 확산되도록 제어되지만 너무 확산되면 트랜스가 리셋되지 않아 포화하는 경우가 있다. 통상적으로는 너무 확산되지 않도록 데드 타임을 설정한다.
스위칭 소자의 전력손실 증가	입력전압이 낮으면(출력전력이 일정하므로) 스위칭 전원의 입력전류가 증가한다. 때문에 손실증기와 함께 입력전압이 낮으므로 드라이브 전압이 부족하고 또한 전력손실이 증가하는 경우가 있다.
컨트롤 회로의 오동작	-입력전압이 저하되면 전자회로는 정상 동작할 수 없다. -입력 전압이 부족할 때 동작을 정지시키는 보호회로가 없거나 그 설정이 적절하지 않다면 오동작에 의해 파손되는 경우가 있다.

=> 통전 후 얼마 되지 않아 파손에 이른다

원인	조사/대책 방법 힌트
열 폭주	-부품 온도상승의 영향이 전력손실을 증가시키는 방향으로 움직임으로써 파손된다. -트랜지스터는 고온에서 hFE나 축적시간이 증가한다 -MOSFET는 고온에서 온 저항이 증가한다. -쇼트키 배리어 다이오드는 과열에 의해 누설전류가 증가한다. -트랜스나 쵸크 코일은 고온에서 최대 자속밀도 Bm이 저하되어 자기 포화되기 쉬어진다.

▣ 트러블 대책 기술

1. 부품교환이 곤란한 경우에 기준을 만드는 방법

부품을 교환해 보면 그 부품이 원인어었는지에 대한 여부를 판단할 수 있다. 그러나 부품교환이 곤란한 경우, 그 부품이 원인인가의 여부를 알 수 없는 단계에서는 가급적 교호나을 피하고 싶다.

이러한 경우, 주변의 동작 확인과 회로동작에서 대상 부품에 문제가 있는가의 여부를 추측한다. 그러나 그것으로 도 확신할 수 없는 경우가 있다. 이럴 때는 다음과 같은 방법으로 확인한다.

(1) 부품 상수에 문제가 있는 것 같다면 병렬 접속해본다

예를 들어 특정 콘덴서가 용량부족 등에 의하여 문제의 원인으로 추정됐다고 하자. 이러한 경우에는 정상적인 용량의 것과 교환하기 전에 그 콘덴서와 병렬로 작은 용량을 추가해 본다.

그러면 용랼이 증가하므로 증상이 양호한 방향으로 변화된다. 예를 들어 출력 평활회로의 콘덴서가 1000uF이었다고 하고 거기에 470uF의 콘덴서를 병렬로 부가해 보면 용량은 약 1.5배가 되므로 출력 리플은 1/1.5이 된다. 그러나 1000uF의 콘덴서가 용량부족으로 200uF 정도밖에 없었다고 하면 용량은 200uF에서 670uF으로 3배이상 증가되므로 출력 리플은 1/3정도로 된다.

(2) 병렬접속의 영향에서 판단할 수 있다

이렇게 하여 추가한 콘덴서의 영향 상태에서 실장되어 있는 콘덴서의 상수를 추정할 수 있다. 즉, 그 콘덴서의 용량값이 문제라고 가설을 세웠다면 쉽게 변경할 수 있는 방법으로 변경해 보고 영향의 상태를 확인한다.

저항이든 인덕터든 병렬접속이라면 회로를 절단할 필요가 없으므로 쉽게 추가해 볼 수 있다. 만약 병렬로 추가해도 아무런 영향을 주지 않는다면 그 부품이 쇼트 또는 그에 가까운 상태인 경우를 제외하고 그 부품이 원인일 가능성은 낮다고 볼 수 있다.

2. 노이즈의 발생개소를 탐색하는 방법

스위칭 전원에 있어서 노이즈에 의한 트러블은 비교적 많다고 생각된다. 노이즈 대책으로는 주로 노이즈 발생을 억제하는 방법과 노이즈의 전파를 억제하는 방법이 있지만 노이즈의 발생개소를 모르면 대책을 세울 도리가 없다.

노이즈의 발생개쇼를 탐색할 때 아래 그림과 같은 서치코일을 만들어 오실로스코프의 프로브에 접속하여 사용한다.

이 코일을 기기나 프린트 기판의 다양한 장소에 근접시켜 파형이나 진폭을 관찰하면 노이즈 발생이 큰 장소에서는 진폭이 커지므로 발생장소를 특정 지을 수 있다.

위의 사진은 래핑 와이어를 여러 번 감은 갓이지만 프로프 끝에 그라운드 리드를 연결하여 1턴 한 것처럼 만든 것으로도 충분히 도움이 된다.

▣ 트러블의 원인에 관하여

트러블에는 어떠한 원이 있다. 이 원인을 탐색하는 것이 트러블슈팅이지만 사전에 어떠한 원인인지를 떠올릴 수 있다면 트러블슈팅 실행이 쉬워진다. 그 원인을 크게 나누면 다음과 같은 것이 있다.

- 설계로 인한 문제

- 부품으로 인한 문제

- 제조에 의한 문제

- 사용 방법이나 사용환경의 문제

1. 설계로 인한 문제

시험 제작.개발이 완료되어 이미 동작하고 있는 제품이 있을 경우, 설계가 직접적인 원인이라고는 볼 수 없다. 그러나 부품의 특성을 충분히 고려하고 있지 않았기 때문에 발생하는 문제는 설계상의 문제라고도 볼 수 있다.

2. 부품으로 인한 문제

이것은 부품불량인 경우와 그 특성이 원인인 경우가 있다. 부품의 특성이나 고장 모드를 알고 있으면 트러블슈팅을 보다 원활하게 진행할 수 있다.

부품의 고장모드와 트러블의 원인이 되기 쉬은 특성은 다음과 같다.

부품	고장모드	원인이 되기 쉬운 특성의 예
저항기	-오픈 -쇼트	-오차 -온도계수 -전압계수
가변저항기	오픈(접촉불량)	-오차 -온도계수
콘덴서	-오픈 -쇼트	-오차 -전압계수 -누설전류 -정전유도
전해 콘덴서	-오픈 -쇼트 -용량이 모자람	-오차 -누설전류
트랜지스터	-오픈 -쇼트	-누설전류 -hPE -온도특서
MOSFET	-오픈 -쇼트	-누설전류 -게이트용량
다이오드	쇼트	-순방향 전압강화 -역 발향 누설전류 -역 회복시간
사이리스터, 드라이액	쇼트	-게이트 턴 온 전류 -유지전류
OP앰프	특성불량	-래치 업 -주파수 특성 -스루 레이트 -오프셋 전압 -오프셋 전류 -온도특성
포토커플러	쇼트	-변환효율 -주파수특성
코일류	레어쇼트	-인덕턴스 오차 -감는방향 -누설자속 -간섭 -전류중첩특성 -온도특성
프린트기판	-패턴쇼트 -패턴단선	-패턴의 저항분에 의한 전압하강 -패턴의 루프에 의한 코일 형성
릴레이	-용착 -접촉불량	-채터링 -자기간섭
스위치/브레이커	-용착 -접촉불량	채터링
전원	단선	전압하강
퓨즈	단선	전압하강
전지	쇼트	-누액 -내부저항

부품에 관해서는 제조 방법이나 구조 등 계속해서 진보되고 있으므로 종래의 상식으로는 생각할 수 없었던 구조나 소재, 제조 방법이 개발되어 그에 따른 특성이나 고장 모드가 변화되고 있다. 따라서 특성이나 고장 모드에는 일반적인 것 외에 특수한 것도 있다는 것을 고려하여 트러블슈팅에 임하도록 한다.

3. 제조에 의한 문제

여기에는 다음과 같은 것이 있다.

- 납땜 불량, 땜납하지 않음

- 땜납 브리지

- 압착 불량

- 부품이나 전극 접촉

- 배선오류, 배선하지 않음

- 부품의 극성오류(삽입 실수 등)

제조에 의한 문제는 다시 제조 방법의 문제, 작업자의 문제, 제조기계나 지그 공구의 문제가 있다.

작업자는 엔지니어와 달리 전기에 관한 지식을 가진 사람만 있는 것이 아니라 제조.조립에 관해 충분히 교육.지도 받지 못한 사람도 있으므로 엔지니어의 눈으로 볼 때 생각할 수 없는 오류를 범하는 경우도 있다.

기계나 장치도 다양한 트러블의 원인이 된다. 예를 들면 땜납 탱크에 의한 납땜은 설정온도나 패턴의 피치 등에 의해 땜납 브리지가 발생하기 쉬워지는 등 항상 어떠한 트러블 요인을 내포하고 있다고 생각된다.

4. 사용 방법이나 사용 환경의 문제

마지막으로 사용 방법이나 사용 환경에 관하여는 아래와 같이 정리할 수 있으며, 이 중에는 상식을 벗어난 듯한 사용 방법을 나타낸 경우도 있다.

원인	설명
취급부주의	역 접속 등 부주의에 의해 취급에 문제가 있는 경우
공급전원 문제	-공급전원 이상에 의한 과전압등 -공급전원 용량부족 -입력의 순간적인 단락, 순간정전등
부하 문제	- 부하의 고장이나 파손 등 - 기동까지 대 전류가 흐르는 경우
외부로부터의 서지 전압	- 정전기, 번개 서지 등의 외래 서지 - 전등선, 전화선, 안테나로부터 침입
주위온도	- 실장 환경에 있어서 통풍이 나쁜 경우 - 조건에 따라 주위온도가 높아지는 경우
온도, 결로	- 습도가 높은 경우 - 결로 발생 등
진동, 충격	- 모터 콤프레셔 등이 있을 경우 - 자동차, 전철 등에 탑재되는 경우 등
먼지	먼지가 많은 환경
동물의 침입	야외에 설치된 기기의 경우, 쥐나 도마뱀 등이 EkEMt한 전원기기로 들어오는 경우가 있다.
전자파	경력한 전자파는 오동작의 원 된다.

트러블슈팅에서는 ‘설마 이럴 수는 없을 것이다‘ 라든가 ’이런 일은 없겠지‘라는 상식의 범위에서 상정한다면 원인 규명이 곤란해진다. 모든 가능성을 고려하여 조사해보는 것이 중요하다.

[처음처럼]

좋은자료 감사 드립니다 ~~