電源模塊的中心議題：
- 采用電源模塊的優(yōu)點
- 容易被忽略的電源模塊設(shè)計問題
電源模塊的解決方案：
電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器 (參看圖1)，其特點是可為專用集成電路（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) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電,。一般來說，這類模塊稱為負(fù)載點 (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS),。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多,，因此高性能電信、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系及數(shù)據(jù)通信等系統(tǒng)都廣泛采用各種模塊,。雖然采用模塊有很多優(yōu)點,，但工程師設(shè)計電源模塊以至大部分板上直流/直流轉(zhuǎn)換器時，往往忽略可靠性及測量方面的問題,。本文將深入探討這些問題,，并分別提出相關(guān)的解決方案。
采用電源模塊的優(yōu)點
目前不同的供應(yīng)商在市場上推出多種不同的電源模塊,，而不同產(chǎn)品的輸入電壓,、輸出功率、功能及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都各不相同,。采用電源模塊可以節(jié)省開發(fā)時間,，使產(chǎn)品可以更快推出市場，因此電源模塊比集成式的解決方案優(yōu)勝,。電源模塊還有以下多個優(yōu)點：
● 每一模塊可以分別加以嚴(yán)格測試,，以確保其高度可靠，其中包括通電 測試,，以便剔除不合規(guī)格的產(chǎn)品,。相較之下，集成式的解決方案便較難測試，因為整個供電系統(tǒng)與電路上的其他功能系統(tǒng)緊密聯(lián)系一起,?！ ?br />
● 不同的供應(yīng)商可以按照現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計同一大小的模塊，為設(shè)計電源供應(yīng)器的工程師提供多種不同的選擇,。
● 每一模塊的設(shè)計及測試都按照標(biāo)準(zhǔn)性能的規(guī)定進(jìn)行,，有助減少采用新技術(shù)所承受的風(fēng)險,。
● 若采用集成式的解決方案,，一旦電源供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題,，便需要將整塊主機(jī)板更換；若采用模塊式的設(shè)計,，只要將問題模塊更換便可,，這樣有助節(jié)省成本及開發(fā)時間。
容易被忽略的電源模塊設(shè)計問題
雖然采用模塊式的設(shè)計有以上的多個優(yōu)點,，但模塊式設(shè)計以至板上直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計也有本身的問題,，很多人對這些問題認(rèn)識不足，或不給予足夠的重視,。以下是其中的部分問題：
● 輸出噪音的測量,；
● 磁力系統(tǒng)的設(shè)計；
● 同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象,；
● 印刷電路板的可靠性,。
這些問題會將在下文中一一加以討論,，同時還會介紹多種可解決這些問題的簡單技術(shù),。
輸出噪音的測量技術(shù)
所有采用開關(guān)模式的電源供應(yīng)器都會輸出噪音。開關(guān)頻率越高,，便越需要采用正確的測量技術(shù),，以確保所量度的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。量度輸出噪音及其他重要數(shù)據(jù)時,，可以采用圖2所示的 Tektronix 探針探頭 (一般稱為冷噴嘴探頭),，以確保測量數(shù)字準(zhǔn)確可靠，而且符合預(yù)測,。這種測量技術(shù)也確保接地環(huán)路可減至最小,。
進(jìn)行測量時我們也要將測量儀表可能會出現(xiàn)傳播延遲這個因素計算在內(nèi)。大部分電流探頭的傳播延遲都大于電壓探頭,。因此必須同時顯示電壓及電流波形的測量便無法確保測量數(shù)字的準(zhǔn)確度,，除非利用人手將不同的延遲加以均衡。 電流探頭也會將電感輸入電路之內(nèi),。典型的電流探頭會輸入 600nH 的電感,。對于高頻的電路設(shè)計來說，由于電路可承受的電感不能超過1mH,，因此,，經(jīng)由探頭輸入的電感會影響 di/dt 電流測量的準(zhǔn)確性，甚至令測量數(shù)字出現(xiàn)很大的誤差,。若電感器已飽和,，則可采用另一更為準(zhǔn)確的方法測量電流量，例如,，我們可以測量與電感器串行一起的小型分路電阻的電壓,。
- 電源模塊的作用
- 電源模塊的作用
磁學(xué)的設(shè)計
磁心是否可靠是另一個經(jīng)常被人忽略的問題。大部分輸出電感器都采用鐵粉磁心,，因為鐵粉是成本最低的物料,。鐵粉磁心的成份之中大約有 95% 屬純鐵粒，而這些鐵粉粒利用有機(jī)膠合劑粘合一起,。這些膠合劑也將每一鐵粉粒分隔,，使磁心內(nèi)外滿布透氣空間?！ ¤F粉是構(gòu)成磁心的原材料,，但鐵粉含有小量的雜質(zhì)如錳及鉻，而這些雜質(zhì)會影響磁心的可靠性,，影響程度視乎所含雜質(zhì)的數(shù)量,。我們可以利用光譜電子顯微鏡 (SEM) 仔細(xì)查看磁心的截面，以便確定雜質(zhì)的相對分布情況,。磁心是否可靠,，關(guān)鍵在于材料是否可以預(yù)測以及其供應(yīng)是否穩(wěn)定可靠?！ ∪翳F粉磁心長期處于高溫環(huán)境之中,，磁心損耗可能會增加，而且損耗一旦增多,，便永遠(yuǎn)無法復(fù)原,，因為有機(jī)膠合劑出現(xiàn)份子分解，令渦流損耗增加,。這種現(xiàn)象可稱為熱老化,，最后可能會引致磁心出現(xiàn)熱失控?！ 〈判膿p耗的大小受交流電通量密度,、操作頻率,、磁心大小及物料類別等多個不同因素影響。以高頻操作為例來說,，大部分損耗屬渦流損耗,。若以低頻操作，磁滯損耗反而是最大的損耗,?！ u流損耗會令磁心受熱，以致效率也會受影響而下跌,。產(chǎn)生渦流損耗的原因是以鐵磁物質(zhì)造成的物體受不同時間的不同磁通影響令物體內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)不息的電流,。我們只要選用一片片的鐵磁薄片而非實心鐵磁作為磁心的物料，便可減低渦流損耗,。例如,，以磁帶繞成的 Metglas 便是這樣的一種磁心,。其他的鐵磁產(chǎn)品供應(yīng)商如 Magnetics 也生產(chǎn)以磁帶繞成的磁心,。 Micrometals 等磁心產(chǎn)品供應(yīng)商特別為設(shè)計磁性產(chǎn)品的工程師提供有關(guān)磁心受熱老化的最新資料及計算方式,。采用無機(jī)膠合劑的鐵粉磁心不會有受熱老化的情況出現(xiàn),。市場上已有這類磁心出售，Micrometals 的 200C 系列磁心便屬于這類產(chǎn)品,。
同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象
負(fù)載點電源供應(yīng)系統(tǒng) (POL) 或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS) 等供電系統(tǒng)都廣泛采用同步降壓轉(zhuǎn)換器 (圖3),。這種同步降壓轉(zhuǎn)換器采用高端及低端的 MOSFET 取代傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器的箝位二極管，以便降低負(fù)載電流的損耗,。
工程師設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器時經(jīng)常忽視“擊穿”的問題,。每當(dāng)高端及低端 MOSFET 同時全面或局部啟動時，便會出現(xiàn)“擊穿”的現(xiàn)象,，使輸入電壓可以將電流直接輸送到接地,。
擊穿現(xiàn)象會導(dǎo)致電流在開關(guān)的一瞬間出現(xiàn)尖峰,，令轉(zhuǎn)換器無法發(fā)揮其最高的效率,。我們不可采用電流探頭測量擊穿的情況，因為探頭的電感會嚴(yán)重干擾電路的操作,。我們可以檢查兩個場效應(yīng)晶體管 (FET) 的門極/源極電壓,，看看是否有尖峰出現(xiàn)。這是另一個檢測擊穿現(xiàn)象的方法,。(上層 MOSFET 的門極/源極電壓可以利用差分方式加以監(jiān)測,。)我們可以利用以下的方法減少擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)?！ ?br />
采用設(shè)有“固定死區(qū)時間”的控制器芯片是其中一個可行的辦法,。這種控制器芯片可以確保上層 MOSFET 關(guān)閉之后會出現(xiàn)一段延遲時間，才讓下層 MOSFET 重新啟動。這個方法較為簡單,，但真正實行時則要很小心,。若死區(qū)時間太短，可能無法阻止擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn),。若死區(qū)時間太長,，電導(dǎo)損耗便會增加，因為底層場效應(yīng)晶體管內(nèi)置的二極管在整段死區(qū)時間內(nèi)一直在啟動,。由于這個二極管會在死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)電,，因此采用這個方法的系統(tǒng)效率便取決于底層 MOSFET 的內(nèi)置二極管的特性。另一個減少擊穿的方法是采用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時間”的控制器芯片,。這個方法的優(yōu)點是可以不斷監(jiān)測上層 MOSFET 的門極/源極電壓,，以便確定何時才啟動底層 MOSFET。高端 MOSFET 啟動時,，會通過電感感應(yīng)令低端 MOSFET 的門極出現(xiàn) dv/dt 尖峰,，以致推高門極電壓 (圖4)。若門極/源極電壓高至足以將之啟動,，擊穿現(xiàn)象便會出現(xiàn),。
自適應(yīng)死區(qū)時間控制器負(fù)責(zé)在外面監(jiān)測 MOSFET 的門極電壓。因此,，任何新加的外置門極電阻會分去控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓,，以致門極電壓實際上會比控制器監(jiān)控的電壓高。預(yù)測性門極驅(qū)動是另一個可行的方案,，辦法是利用數(shù)字反饋電路檢測內(nèi)置二極管的導(dǎo)電情況以及調(diào)節(jié)死區(qū)時間延遲,，以便將內(nèi)置二極管的導(dǎo)電減至最少，確保系統(tǒng)可以發(fā)揮最高的效率,。若采用這個方法,，控制器芯片需要添加更多引腳，以致芯片及電源模塊的成本會增加,?！ ∮幸稽c需要注意，即使采用預(yù)測性門極驅(qū)動,，也無法保證場效應(yīng)晶體管不會因為 dv/dt 的電感感應(yīng)而啟動,。延遲高端 MOSFET 的啟動也有助減少擊穿情況出現(xiàn)。雖然這個方法可以減少或徹底消除擊穿現(xiàn)象,，但缺點是開關(guān)損耗較高,，而效率也會下降。我們?nèi)暨x用較好的 MOSFET,，也有助縮小出現(xiàn)在底層 MOSFET 門極的 dv/dt 電感電壓振幅,。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高,，在 MOSFET 門極上出現(xiàn)的電感電壓便越低擊穿的測試情況經(jīng)常被人忽略，例如在負(fù)載瞬態(tài)過程中——尤其是每當(dāng)負(fù)載已解除或突然減少時——控制器會不斷產(chǎn)生窄頻脈沖,。目前大部分高電流系統(tǒng)都采用多相位設(shè)計,，利用驅(qū)動器芯片驅(qū)動 MOSFET。但采用驅(qū)動器芯片會令擊穿問題更為復(fù)雜,，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)過程之中,。例如，窄頻驅(qū)動脈沖的干擾,，再加上驅(qū)動器出現(xiàn)傳播延遲,，都會導(dǎo)致?lián)舸┣闆r的出現(xiàn)。大部分驅(qū)動器芯片生產(chǎn)商都特別規(guī)定控制器的脈沖寬度必須不可低于某一最低的要求,，若低于這個最低要求,，便不會有脈沖輸入 MOSFET 的門極。此外,，生產(chǎn)商也為驅(qū)動器芯片另外加設(shè)可設(shè)定死區(qū)時間 (TRT) 的功能,，以增強自適應(yīng)轉(zhuǎn)換定時的準(zhǔn)確性。辦法是在可設(shè)定死區(qū)時間引腳與接地之間加設(shè)一個可用以設(shè)定死區(qū)時間的電阻,，以確定高低端轉(zhuǎn)換過程中的死區(qū)時間,。這個死區(qū)時間設(shè)定功能加上傳播延遲可將處于轉(zhuǎn)換過程中的互補性 MOSFET 關(guān)閉,，以免同步降壓轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)擊穿情況,。
可靠性
任何模塊都必須在早期階段通過嚴(yán)格的測試，以確保設(shè)計完善可靠,，以免在生產(chǎn)過程中的最后階段才出現(xiàn)意想不到的問題,。有關(guān)模塊必須可以在客戶的系統(tǒng)之中進(jìn)行測試，以確保所有有可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的相關(guān)因素,，例如散熱扇故障,、散熱扇間歇性停頓等問題都能給予充分的考慮。采用分散式結(jié)構(gòu)的工程師都希望所設(shè)計的系統(tǒng)可以連續(xù)使用很多年而很少或甚至不會出現(xiàn)故障,。由于測試數(shù)字顯示電源模塊的 MTBF 高達(dá)幾百萬小時,，要達(dá)到這個目標(biāo)并不怎樣困難。
但經(jīng)常被人忽略的反而是印刷電路板的可靠性問題,。照目前的趨勢看,，印刷電路板的面積越縮越小，但需要處理的電流量則越來越大,，因此電流密度的增加可能會引致隱蔽式或其他通孔無法執(zhí)行正常功能,。印刷電路板有部分隱蔽通孔必須傳送大量電流，對于這些隱蔽通孔來說,，其周圍必須有足夠的銅造防護(hù)裝置為其提供保護(hù),，以確保設(shè)計更可靠耐用,。這種防護(hù)裝置也可抑制 z 軸的受熱膨脹幅度，若非如此,，生產(chǎn)過程中以及產(chǎn)品使用時印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么變化,，隱蔽通孔便會外露。工程師必須參考印刷電路板廠商的專業(yè)意見,，徹底復(fù)檢印刷電路板的設(shè)計,，而印刷電路板廠商可以根據(jù)他們的生產(chǎn)能力提供有關(guān)印刷電路板設(shè)計可靠性的專業(yè)意見。
總結(jié)
我們?nèi)粢秒娫茨K組建可靠的電源供應(yīng)系統(tǒng),，便必須解決設(shè)計可靠性的問題,。上文集中討論幾個主要問題，其中包括鐵粉磁心的可靠性,、磁系統(tǒng)的特性,、同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象以及高電流系統(tǒng)印刷電路板的可靠性等問題。