電源模塊可靠性設(shè)計(jì)

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電源模塊可靠性設(shè)計(jì)

電源作為電路系統(tǒng)的“心臟”，其重要性是顯而易見的。在選擇電源模塊時(shí)，除了要考慮輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波&噪聲等性能特性外，還需針對(duì)其高低溫性能和降額設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性測(cè)試。，高功率密度電源模塊的可靠性差別很大，這是因?yàn)殡娫茨K設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)、器件承受過載電壓和過載電流的能力和功耗不同，所以在系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中必須面對(duì)的一個(gè)主要問題就是可靠性。許多采用分布式電源適配器架構(gòu)的應(yīng)用需要運(yùn)行多年，很少停運(yùn)。電氣系統(tǒng)和器件的故障率遵循浴缸曲線的形狀，如圖所示。這個(gè)曲線從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)陡峭的過渡取決于所使用器件的選擇、這些器件的額定值及其與模塊中其他器件的兼容性。例如，在輸入電壓為20V的DC/DC電源模塊中，使用一個(gè)30V的MOSFET是可以接受的，只要精心選擇驅(qū)動(dòng)器、肖特基二極管和緩沖電路即可。

圖生命周期故障率
電源模塊中的熱疲勞現(xiàn)象是由電源轉(zhuǎn)換效率低下和浪費(fèi)有限的可用空間造成的，后面會(huì)增加溫度上升速率，并因此縮短產(chǎn)品的使用壽命。為了盡量減少溫度對(duì)平均無故障時(shí)間（MTBF）的影響，在系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮散熱問題、有效氣流及基于模塊功率損耗的降額曲線。
另外一個(gè)導(dǎo)致電源模塊重大故障的現(xiàn)象是由焊點(diǎn)裂紋造成的“溫度跑道”，一般在不同的使用領(lǐng)域，對(duì)電源模塊的工作溫度范圍要求各異：

高低溫測(cè)試是用來確定產(chǎn)品在低溫、高溫兩個(gè)極端氣候環(huán)境條件下的適應(yīng)性和一致性，檢查設(shè)計(jì)余量是否足夠。如果電源模塊受到機(jī)械振動(dòng)或多次溫度循環(huán)沖擊，裂紋可能在焊點(diǎn)中逐步展開，后面可能使器件脫離基板，導(dǎo)致電阻增加，反過來又增加溫度應(yīng)力，不斷重復(fù)，直至循環(huán)達(dá)到線剪切模式并導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。值得注意的是，雖然高效率有助于降低熱功耗，但并不等于說可靠性也相應(yīng)地提高。為了確保產(chǎn)品具有較好的性能，在系統(tǒng)電源適配器設(shè)計(jì)中必須掌握影響電源模塊可靠性的因素：
①電源適配器的工作溫度;可靠性高的電源模塊必須保證在高低溫等極端條件下工作正常，滿足性能參數(shù)要求。
②DC/DC變換器供貨商為了達(dá)到安全工作溫度的設(shè)計(jì)規(guī)則;
③DC/DC變換器的性能，特別是半導(dǎo)體器件的性能;
④系統(tǒng)中的氣流及其在電源模塊上流動(dòng)的方向;
⑤電源模塊對(duì)輸入電壓及負(fù)載的要求;
⑥系統(tǒng)需要的供電及環(huán)境溫度的變化狀況。

所有這些因素都影響電源模塊的可靠性，在電源適配器設(shè)計(jì)中可控制的一個(gè)重要因素是電源模塊的溫度。例如，愛立信所有高功率產(chǎn)品的外殼或底板都設(shè)計(jì)成可在高溫度下工作，以滿足專用產(chǎn)品的需求，達(dá)到電信及信息技術(shù)市場(chǎng)的需要。只要在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作，電源模塊將可與所有低于其較高溫度工作的器件一起發(fā)揮安全、可靠的功能。

電源模塊是電源適配器的發(fā)展趨勢(shì)
隨著電源技術(shù)的發(fā)展，使電源適配器實(shí)現(xiàn)模塊化成為可能。與電源模塊相關(guān)的技術(shù)包括集成電路制造、封裝，高頻功率變換、數(shù)字化控制、全諧振高頻軟開關(guān)、同步整流、智能化控制、電磁兼容、功率因數(shù)校正、電源保護(hù)控制、并聯(lián)均流控制、脈寬調(diào)制等技術(shù)。隨著半導(dǎo)體工藝和封裝技術(shù)的改進(jìn)，高頻軟開關(guān)技術(shù)的大量應(yīng)用，電源模塊的功率密度越來越高，電源模塊的功率變換效率也越來越高，體積越來越小，出現(xiàn)了芯片級(jí)的電源模塊。當(dāng)今，電源模塊設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)是：
①降低功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，較大限度地降低磁性元器件的功率損耗，如開關(guān)變壓器的磁心損耗、近場(chǎng)效應(yīng)損耗、線圈損耗和渦流損耗等。
②電源模塊功率密度的提高。
隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用,模塊電源功率密度越來越大,轉(zhuǎn)換效率越來越高,應(yīng)用也越來越簡(jiǎn)單。提高電源模塊產(chǎn)品的功率密度可以從以下三個(gè)方面入手：
a.采用的電路拓?fù)浜凸β首儞Q技術(shù)，提高電源模塊產(chǎn)品的工作效率，降低電源模塊產(chǎn)品的損耗。
b.減小電源模塊產(chǎn)品的各部件體積并采用緊湊型工藝結(jié)構(gòu)。
c.改進(jìn)電源模塊產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，在高功率密度條件下，電源模塊產(chǎn)品能很好地散熱。
③低電壓、大電流輸出。
④更復(fù)雜的電源適配器管理需求：電源的排序/跟蹤、輸出電壓范圍、電源的監(jiān)控及系統(tǒng)電源的故障監(jiān)測(cè)、響應(yīng)和保護(hù)等。
⑤降低模塊電源適配器系統(tǒng)的造價(jià)。
⑥更快的控制環(huán)路響應(yīng)。
⑦較大限度地降低磁性元器件的功率損耗（例如，開關(guān)變壓器的磁芯損耗、近場(chǎng)效應(yīng)損耗、線圈損耗和渦流損耗等）

在鐵路、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域，需求越來越大，因?yàn)樯婕暗焦步煌ā⑷松戆踩葐栴}，首先考慮是模塊的高可靠性、工作安全性等要求。電源模塊必須在劇烈震動(dòng)或惡劣的環(huán)境下仍然能夠長(zhǎng)期正常工作，不容許有任何出錯(cuò)。這對(duì)國(guó)內(nèi)電源模塊廠家的技術(shù)開發(fā)及生產(chǎn)工藝是一個(gè)挑戰(zhàn)，不管是開發(fā)還是生產(chǎn)線都要非常可靠。

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| 發(fā)布時(shí)間：2019.07.09 來源：電源適配器

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