電源模塊是可以直接連接到印刷電路板的電源(見圖1)。其特征在于為專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供電源。一般來說，這種模塊被稱為負(fù)載點(diǎn)(POL)電源系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源系統(tǒng)(PUPS)。由于模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，各種模塊被廣泛應(yīng)用于高性能電信、網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。雖然使用模塊有很多優(yōu)勢，但工程師在設(shè)計(jì)電源模塊甚至大多數(shù)板載DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，往往會忽略可靠性和測量問題。本文將對這些問題進(jìn)行深入探討，并分別提出相應(yīng)的解決方案。

　　使用電源模塊的優(yōu)點(diǎn)

　　目前市場上不同的供應(yīng)商推出了各種不同的電源模塊，不同產(chǎn)品的輸入電壓、輸出功率、功能、拓?fù)涠疾灰粯印Ｊ褂秒娫茨K可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，更快地將產(chǎn)品推向市場，因此電源模塊優(yōu)于集成解決方案。該電源模塊還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　每個(gè)模塊都可以單獨(dú)進(jìn)行嚴(yán)格測試，以確保其高可靠性，包括通電測試，以消除不合格產(chǎn)品。相比之下，集成解決方案更難測試，因?yàn)檎麄€(gè)電源系統(tǒng)與電路上的其他功能系統(tǒng)緊密相連。

　　不同的供應(yīng)商可以根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相同尺寸的模塊，這為設(shè)計(jì)電源的工程師提供了許多不同的選擇。

　　每個(gè)模塊都是按照標(biāo)準(zhǔn)的性能法規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試的，有助于降低采用新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　如果采用集成解決方案，一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，需要更換整個(gè)主板；如果采用模塊化設(shè)計(jì)，則只能替換問題模塊，有助于節(jié)約成本和開發(fā)時(shí)間。

　　容易被忽視的電源模塊設(shè)計(jì)問題

　　盡管模塊化設(shè)計(jì)具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但模塊化設(shè)計(jì)甚至車載DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)也有其自身的問題。很多人對這些問題了解不夠，或者不夠重視。以下是一些問題：

　　輸出噪聲的測量；

　　磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

　　同步降壓變換器擊穿現(xiàn)象；

　　印刷電路板的可靠性。

　　下面將逐一討論這些問題，還將介紹解決這些問題的各種簡單技術(shù)。

　　輸出噪聲測量技術(shù)

　　開關(guān)模式下的所有電源都會輸出噪聲。開關(guān)頻率越高，越需要采用正確的測量技術(shù)來保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在測量噪聲等重要數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用圖2所示的泰克探頭(俗稱冷噴嘴探頭)，確保測量的數(shù)字準(zhǔn)確可靠，符合預(yù)測。這種測量技術(shù)還確保接地環(huán)路可以最小化。圖2，輸出噪聲系數(shù)的測量

　　測量時(shí)，還應(yīng)考慮測量儀器可能存在的傳播延遲。大多數(shù)電流探頭的傳播延遲大于電壓探頭。因此，電壓和電流波形的測量必須同時(shí)顯示，除非用手平衡不同的延遲，否則無法保證測量數(shù)字的準(zhǔn)確性。

　　電流探頭也將電感輸入電路。典型的電流探頭將輸入600nH的電感。對于高頻電路設(shè)計(jì)，電路所能承受的電感不能超過1mH，因此通過探頭輸入的電感會影響di/dt電流測量的精度，甚至使測量數(shù)字產(chǎn)生較大誤差。如果電感飽和，可以使用另一種更精確的方法來測量電流。例如，我們可以測量與電感串聯(lián)的小分流電阻的電壓。

　　磁性設(shè)計(jì)

　　磁芯的可靠性是另一個(gè)經(jīng)常被忽視的問題。大多數(shù)輸出電感使用鐵粉芯，因?yàn)殍F粉是成本最低的材料。鐵芯大約95%的成分是純鐵顆粒，這些鐵顆粒通過有機(jī)粘合劑粘合在一起。這些粘合劑還將每個(gè)鐵粉顆粒分開，使得磁芯的內(nèi)部和外部充滿通風(fēng)空間。

　　鐵粉是磁芯的原材料，但鐵粉中含有少量的錳、鉻等雜質(zhì)，會影響磁芯的可靠性，影響的程度取決于所含雜質(zhì)的多少。我們可以用光譜電子顯微鏡仔細(xì)檢查磁芯的橫截面，以確定雜質(zhì)的相對分布。堆芯是否可靠，取決于材料能否預(yù)測，供應(yīng)是否穩(wěn)定可靠。

　　如果鐵粉芯長時(shí)間暴露在高溫下，鐵芯損耗可能會增加，一旦損耗增加，就永遠(yuǎn)無法恢復(fù)，因?yàn)橛袡C(jī)粘合劑分子分解，增加了渦流損耗。這種現(xiàn)象可以稱為熱老化，最終可能導(dǎo)致磁芯熱失控。

　　磁芯的損耗受許多不同因素的影響，如交流磁通密度、工作頻率、磁芯尺寸和材料類型。以高頻運(yùn)行為例，大部分損耗是渦流損耗。如果在低頻下工作，磁滯損耗是最大的損耗。

　　渦流損耗會加熱磁芯，從而影響和降低效率。渦流損耗的原因是鐵磁材料引起的物體在不同時(shí)間受到不同磁通量的影響，使物體產(chǎn)生無窮的電流。只要我們選擇鐵磁體片而不是實(shí)心鐵磁體作為磁芯的材料，渦流損耗就可以降低。例如，用磁帶纏繞的金屬玻璃就是這樣一種磁芯。磁鐵等鐵磁產(chǎn)品的其他供應(yīng)商也生產(chǎn)纏繞有磁帶的磁芯。

　　Micrometals等磁芯產(chǎn)品供應(yīng)商尤其為設(shè)計(jì)磁性產(chǎn)品的工程師提供磁芯熱老化的最新信息和計(jì)算方法。使用無機(jī)粘合劑的鐵粉芯不會被加熱和老化。這種磁芯已經(jīng)在市場上銷售，測微儀的200C系列磁芯就屬于這種產(chǎn)品。同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象

　　同步降壓變換器廣泛應(yīng)用于點(diǎn)電源系統(tǒng)(POL)或點(diǎn)電源系統(tǒng)(PUPS)等電源系統(tǒng)(圖3)。這種同步降壓轉(zhuǎn)換器使用高端和低端MOSFET來代替?zhèn)鹘y(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器的箝位二極管，以減少負(fù)載電流的損失。

　　工程師在設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，往往會忽略“擊穿”問題。每當(dāng)高端MOSFET和低端MOSFET同時(shí)全部或部分啟動時(shí)，就會出現(xiàn)“擊穿”現(xiàn)象，使輸入電壓直接將電流傳輸?shù)降亍?/span>

　　擊穿會導(dǎo)致電流在開關(guān)瞬間達(dá)到峰值，使變換器無法發(fā)揮最高效率。我們不能用電流探頭來測量擊穿，因?yàn)樘筋^的電感會嚴(yán)重干擾電路的運(yùn)行。我們可以檢查兩個(gè)場效應(yīng)晶體管的柵極/源極電壓，看看是否有尖峰。這是檢測擊穿現(xiàn)象的另一種方法。(可以差分方式監(jiān)控上部MOSFET的柵極/源極電壓。)

　　我們可以使用以下方法來減少故障的發(fā)生。

　　采用“固定死區(qū)”的控制器芯片是可行的方法之一。這種控制器芯片可以保證上MOSFET關(guān)斷后，下MOSFET重啟前有一段延遲時(shí)間。這種方法相對簡單，但在實(shí)踐中需要非常小心。如果死區(qū)時(shí)間過短，可能無法防止擊穿現(xiàn)象。如果死時(shí)間太長，電導(dǎo)損失會增加，因?yàn)榈撞繄鲂?yīng)晶體管的內(nèi)置二極管已經(jīng)導(dǎo)通了整個(gè)死時(shí)間。因?yàn)檫@個(gè)二極管會在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電，所以使用這種方法的系統(tǒng)的效率取決于底部MOSFET的內(nèi)置二極管的特性。

　　另一種減少故障的方法是使用具有“自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間”的控制器芯片。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)監(jiān)控上部MOSFET的柵極/源極電壓，以確定何時(shí)啟動底部MOSFET。

　　當(dāng)高端MOSFET啟動時(shí)，dv/dt峰值會通過電感感應(yīng)出現(xiàn)在低端MOSFET的柵極，從而推高柵極電壓(圖4)。如果柵極/源極電壓高到足以啟動它，就會發(fā)生擊穿。

　　自適應(yīng)死區(qū)控制器負(fù)責(zé)監(jiān)控外部MOSFET的柵極電壓。因此，任何新增加的外部柵極電阻都會分壓控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓，使柵極電壓實(shí)際上高于控制器監(jiān)控的電壓。

　　預(yù)測柵極驅(qū)動是另一種可行的方案。該方法是利用數(shù)字反饋電路檢測內(nèi)置二極管的導(dǎo)通并調(diào)整死區(qū)時(shí)間延遲，使內(nèi)置二極管的導(dǎo)通最小化，保證系統(tǒng)的最高效率。如果采用這種方法，控制器芯片需要增加更多的引腳，這樣芯片和電源模塊的成本就會增加。需要注意的是，即使采用預(yù)測柵極驅(qū)動，也不能保證由于dv/dt的電感感應(yīng)，F(xiàn)ET不會啟動。

　　延遲高端MOSFET的啟動也有助于減少擊穿的發(fā)生。雖然這種方法可以減少或完全消除擊穿現(xiàn)象，但其缺點(diǎn)是開關(guān)損耗較高，效率較低。如果我們選擇更好的MOSFET，也將有助于降低底部MOSFET柵極出現(xiàn)的dv/dt電感電壓幅度。Cgs和Cgd的比值越高，MOSFET柵極上出現(xiàn)的電感電壓越低。

　　擊穿測試經(jīng)常被忽視，例如，在負(fù)載瞬態(tài)過程中，——控制器會持續(xù)產(chǎn)生窄頻率脈沖，尤其是在負(fù)載釋放或突然降低時(shí)。目前大電流系統(tǒng)大多采用多相設(shè)計(jì)，用驅(qū)動芯片驅(qū)動MOSFET。然而，使用驅(qū)動芯片會使擊穿問題變得更加復(fù)雜，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)過程時(shí)。例如，窄頻驅(qū)動脈沖的干擾，加上驅(qū)動器的傳播延遲，會導(dǎo)致?lián)舸?/span>

　　大多數(shù)驅(qū)動芯片廠商都特別規(guī)定，控制器的脈沖寬度一定不能低于某個(gè)最低要求。如果低于這個(gè)最低要求，則沒有脈沖輸入到MOSFET的柵極。

　　此外，廠商還為驅(qū)動芯片增加了設(shè)置死區(qū)時(shí)間(TRT)的功能，以增強(qiáng)自適應(yīng)切換時(shí)序的準(zhǔn)確性。方法是在可設(shè)置死區(qū)時(shí)間的引腳和地之間增加一個(gè)可用于設(shè)置死區(qū)時(shí)間的電阻，以確定高低側(cè)轉(zhuǎn)換過程中的死區(qū)時(shí)間。這種死區(qū)時(shí)間設(shè)置功能結(jié)合傳播延遲可以在轉(zhuǎn)換過程中關(guān)斷互補(bǔ)MOSFET，避免同步降壓轉(zhuǎn)換器擊穿。

　　可靠性

　　任何模塊都必須在前期通過嚴(yán)格的測試，確保設(shè)計(jì)完美可靠，避免在生產(chǎn)過程的最后階段出現(xiàn)意外問題。相關(guān)模塊必須能夠在客戶的系統(tǒng)中進(jìn)行測試，以確保可以充分考慮所有可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的相關(guān)因素，如風(fēng)扇故障和風(fēng)扇間歇性停止。采用分散結(jié)構(gòu)的工程師希望所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠連續(xù)使用多年，很少或沒有故障。由于測試數(shù)顯電源模塊的MTBF高達(dá)幾百萬小時(shí)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)并不難。

　　但印刷電路板的可靠性往往被忽視。根據(jù)目前的趨勢，印刷電路板的面積越來越小，但要處理的電流量卻在增加，因此電流密度的增加可能會導(dǎo)致隱藏的或其他過孔無法執(zhí)行正常功能。印刷電路板上有一些隱藏的通孔，必須傳輸大量電流。對于這些隱藏的通孔，周圍一定要有足夠的銅保護(hù)裝置來保護(hù)，這樣才能保證設(shè)計(jì)更加可靠耐用。這種保護(hù)裝置還可以抑制Z軸的熱膨脹范圍，否則，一旦生產(chǎn)過程中印刷電路板的環(huán)境溫度發(fā)生變化，產(chǎn)品在使用時(shí)，隱藏的通孔就會暴露出來。工程師必須參考PCB廠商的專業(yè)意見，對PCB的設(shè)計(jì)進(jìn)行徹底的復(fù)檢，PCB廠商可以根據(jù)自己的生產(chǎn)能力對PCB設(shè)計(jì)的可靠性提供專業(yè)意見。

　　摘要

　　要想用電源模塊構(gòu)建可靠的電源系統(tǒng)，必須解決設(shè)計(jì)可靠性問題。以上討論集中在幾個(gè)主要問題上，包括鐵芯的可靠性、磁系統(tǒng)的特性、同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象以及大電流系統(tǒng)中印刷電路板的可靠性。