要成功設(shè)計(jì)個(gè)電源模塊必須考慮這些

1、要成功設(shè)計(jì)個(gè)電源模塊必須考慮這些要?jiǎng)倮O(shè)計(jì)個(gè)必需考慮這些假如你是個(gè)電源工程師，關(guān)于電源模塊的簡(jiǎn)介就不用看了。假如你都是小白，或是學(xué)的，最好一個(gè)字一個(gè)字往下看。電源模塊是可以挺直貼裝在印刷板上的電源供給器 (見圖1)，其特點(diǎn)是可為專用(asic)、數(shù)字信號(hào)處理器 ()、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 () 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。普通來說，這類模塊稱為負(fù)載點(diǎn) (pol) 電源供給系統(tǒng)或用法點(diǎn)電源供給系統(tǒng) (pups)。因?yàn)槟K式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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)都廣泛采納各種模塊。雖然采納模塊有無數(shù)優(yōu)點(diǎn)，但工程師設(shè)計(jì)電源模塊以至大部分板上直流/直流轉(zhuǎn)換器時(shí)，往往忽

2、視牢靠性及測(cè)量方面的問題。本文將深化探討這些問題，并分離提出相關(guān)的解決計(jì)劃。圖1 電源供給器采納電源模塊的優(yōu)點(diǎn)目前不同的供給商在市場(chǎng)上推出多種不同的電源模塊，而不同產(chǎn)品的輸入、輸出功率、功能及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都各不相同。采納電源模塊可以節(jié)約開發(fā)時(shí)光，使產(chǎn)品可以更快推出市場(chǎng)，因此電源模塊比集成式的解決計(jì)劃優(yōu)勝。電源模塊還有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 每一模塊可以分離加以嚴(yán)格測(cè)試，以確保其高度牢靠，其中包括通電 測(cè)試，以便剔除不合規(guī)格的產(chǎn)品。相較之下，集成式的解決計(jì)劃便較難測(cè)試，由于囫圇供電系統(tǒng)與電路上的其他功能系統(tǒng)緊密聯(lián)系一起。 不同的供給商可以根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)同一大小的模塊，為設(shè)計(jì)電源供給器的工程師提供多

3、種不同的挑選。 每一模塊的設(shè)計(jì)及測(cè)試都根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)性能的規(guī)定舉行，有助削減采納新技術(shù)所承受的風(fēng)險(xiǎn)。 若采納集成式的解決計(jì)劃，一旦電源供給系統(tǒng)浮現(xiàn)問題，便需要將整塊主機(jī)板更換;若采納模塊式的設(shè)計(jì)，只要將問題模塊更換便可，這樣有助節(jié)約成本及開發(fā)時(shí)光。簡(jiǎn)單被忽視的電源模塊設(shè)計(jì)問題雖然采納模塊式的設(shè)計(jì)有以上的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但模塊式設(shè)計(jì)以至板上直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)也有本身的問題，無數(shù)人對(duì)這些問題熟悉不足，或不賦予足夠的重視。以下是其中的部分問題： 輸出噪音的測(cè)量; 磁力系統(tǒng)的設(shè)計(jì); 同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象; 印刷電路板的牢靠性。這些問題會(huì)將在下文中一一加以研究，同時(shí)還會(huì)介紹多種可解決這些問題的容易技術(shù)。輸出噪

4、音的測(cè)量技術(shù)全部采納開關(guān)模式的電源供給器都會(huì)輸出噪音。開關(guān)頻率越高，便越需要采納正確的測(cè)量技術(shù)，以確保所量度的數(shù)據(jù)精確牢靠。量度輸出噪音及其他重要數(shù)據(jù)時(shí)，可以采納圖2所示的 tektronix 探針探頭 (普通稱為冷噴嘴探頭)，以確保測(cè)量數(shù)字精確牢靠，而且符合預(yù)測(cè)。這種測(cè)量技術(shù)也確保接地環(huán)路可減至最小。圖2 測(cè)量輸出噪音數(shù)字舉行測(cè)量時(shí)我們也要將測(cè)量?jī)x表可能會(huì)浮現(xiàn)傳揚(yáng)延遲這個(gè)因素計(jì)算在內(nèi)。大部分探頭的傳揚(yáng)延遲都大于電壓探頭。因此必需同時(shí)顯示電壓及電流波形的測(cè)量便無法確保測(cè)量數(shù)字的精確度，除非利用人手將不同的延遲加以均衡。電流探頭也會(huì)將輸入電路之內(nèi)。典型的電流探頭會(huì)輸入 600nh 的電感。對(duì)于高

5、頻的電路設(shè)計(jì)來說，因?yàn)殡娐房沙惺艿碾姼胁荒艹^1mh，因此，經(jīng)由探頭輸入的電感會(huì)影響 di/dt 電流測(cè)量的精確性，甚至令測(cè)量數(shù)字浮現(xiàn)很大的誤差。若電感器已飽和，則可采納另一更為精確的辦法測(cè)量電流量，例如，我們可以測(cè)量與電感器串行一起的小型分路的電壓。磁學(xué)的設(shè)計(jì)磁心是否牢靠是另一個(gè)常常被人忽視的問題。大部分輸出電感器都采納鐵粉磁心，由于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。鐵粉是構(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(huì)影響磁心的牢靠性，影響程度視乎所含雜質(zhì)的

6、數(shù)量。我們可以利用光譜顯微鏡 (sem) 認(rèn)真查看磁心的截面，以便確定雜質(zhì)的相對(duì)分布狀況。磁心是否牢靠，關(guān)鍵在于材料是否可以預(yù)測(cè)以及其供給是否穩(wěn)定牢靠。若鐵粉磁心長(zhǎng)久處于高溫環(huán)境之中，磁心損耗可能會(huì)增強(qiáng)，而且損耗一旦增多，便永久無法恢復(fù)，由于有機(jī)膠合劑浮現(xiàn)份子分解，令渦流損耗增強(qiáng)。這種現(xiàn)象可稱為熱老化，最后可能會(huì)引致磁心浮現(xiàn)熱失控。磁心損耗的大小受溝通電通量密度、操作頻率、磁心大小及物料類別等多個(gè)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。渦流損耗會(huì)令磁心受熱，以致效率也會(huì)受影響而下跌。產(chǎn)生渦流損耗的緣由是以鐵磁物質(zhì)造成的物體受不同時(shí)光的不同

7、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(shí)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)品供給商如 magnetics 也生產(chǎn)以磁帶繞成的磁心。micrometals 等磁心產(chǎn)品供給商特殊為設(shè)計(jì)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(jì)算方式。采納無機(jī)膠合劑的鐵粉磁心不會(huì)有受熱老化的狀況浮現(xiàn)。市場(chǎng)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(diǎn)電源供給系統(tǒng) (pol) 或用法點(diǎn)電源供給系統(tǒng) (pups) 等供電系統(tǒng)都廣泛采納同步降壓轉(zhuǎn)

8、換器 (圖3)。這種同步降壓轉(zhuǎn)換器采納高端及低端的 取代傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器的箝位，以便降低負(fù)載電流的損耗。圖3 同步降壓轉(zhuǎn)換器工程師設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)常常忽略“擊穿”的問題。每當(dāng)高端及低端 mosfet 同時(shí)全面或局部啟動(dòng)時(shí)，便會(huì)浮現(xiàn)“擊穿”的現(xiàn)象，使輸入電壓可以將電流挺直輸送到接地。擊穿現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電流在開關(guān)的一眨眼浮現(xiàn)尖峰，令轉(zhuǎn)換器無法發(fā)揮其最高的效率。我們不行采納電流探頭測(cè)量擊穿的狀況，由于探頭的電感會(huì)嚴(yán)峻干擾電路的操作。我們可以檢查兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (fet) 的門極/源極電壓，看看是否有尖峰浮現(xiàn)。這是另一個(gè)檢測(cè)擊穿現(xiàn)象的辦法。(上層 mosfet 的門極/源極電壓可以利用差分方式加以監(jiān)測(cè)。)

9、我們可以利用以下的辦法削減擊穿現(xiàn)象的浮現(xiàn)。采納設(shè)有“固定死區(qū)時(shí)光”的控制器芯片是其中一個(gè)可行的方法。這種控制器芯片可以確保上層 mosfet 關(guān)閉之后會(huì)浮現(xiàn)一段延遲時(shí)光，才讓下層 mosfet 重新啟動(dòng)。這個(gè)辦法較為容易，但真正采取時(shí)則要很當(dāng)心。若死區(qū)時(shí)光太短，可能無法阻擋擊穿現(xiàn)象的浮現(xiàn)。若死區(qū)時(shí)光太長(zhǎng)，電導(dǎo)損耗便會(huì)增強(qiáng)，由于底層場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)置的二極管在整段死區(qū)時(shí)光內(nèi)向來在啟動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)二極管會(huì)在死區(qū)時(shí)光內(nèi)導(dǎo)電，因此采納這個(gè)辦法的系統(tǒng)效率便取決于底層 mosfet 的內(nèi)置二極管的特性。另一個(gè)削減擊穿的辦法是采納設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時(shí)光”的控制器芯片。這個(gè)辦法的優(yōu)點(diǎn)是可以不斷監(jiān)測(cè)上層 mosfet

10、 的門極/源極電壓，以便確定何時(shí)才啟動(dòng)底層 mosfet。高端 mosfet 啟動(dòng)時(shí)，會(huì)通過電感感應(yīng)令低端 mosfet 的門極浮現(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(dòng)，擊穿現(xiàn)象便會(huì)浮現(xiàn)。圖4 浮現(xiàn)在低端mosfet的dv/dt感生電平振幅自適應(yīng)死區(qū)時(shí)光控制器負(fù)責(zé)在外面監(jiān)測(cè) mosfet 的門極電壓。因此，任何新加的外置門極電阻會(huì)分去控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓，以致門極電壓事實(shí)上會(huì)比控制器監(jiān)控的電壓高。預(yù)測(cè)性門極驅(qū)動(dòng)是另一個(gè)可行的計(jì)劃，方法是利用數(shù)字反饋電路檢測(cè)內(nèi)置二極管的導(dǎo)電狀況以及調(diào)整死區(qū)時(shí)光延遲，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)

11、揮最高的效率。若采納這個(gè)辦法，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(huì)增強(qiáng)。有一點(diǎn)需要注重，即使采納預(yù)測(cè)性門極驅(qū)動(dòng)，也無法保證場(chǎng)效應(yīng)晶體管不會(huì)由于 dv/dt 的電感感應(yīng)而啟動(dòng)。延遲高端 mosfet 的啟動(dòng)也有助削減擊穿狀況浮現(xiàn)。雖然這個(gè)辦法可以削減或徹底消退擊穿現(xiàn)象，但缺點(diǎn)是開關(guān)損耗較高，而效率也會(huì)下降。我們?nèi)暨x用較好的 mosfet，也有助縮小浮現(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 門極上浮現(xiàn)的電感電壓便越低。擊穿的測(cè)試狀況常常被人忽視，例如在負(fù)載瞬態(tài)過程中尤其是每當(dāng)負(fù)載已解除或驟然削減時(shí)控制器會(huì)不斷

12、產(chǎn)生窄頻脈沖。目前大部分高電流系統(tǒng)都采納多相位設(shè)計(jì)，利用驅(qū)動(dòng)器芯片驅(qū)動(dòng) mosfet。但采納驅(qū)動(dòng)器芯片會(huì)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(dòng)脈沖的干擾，再加上驅(qū)動(dòng)器浮現(xiàn)傳揚(yáng)延遲，都會(huì)導(dǎo)致?lián)舸顩r的浮現(xiàn)。大部分驅(qū)動(dòng)器芯片生產(chǎn)商都特殊規(guī)定控制器的脈沖寬度必需不行低于某一最低的要求，若低于這個(gè)最低要求，便不會(huì)有脈沖輸入 mosfet 的門極。此外，生產(chǎn)商也為驅(qū)動(dòng)器芯片另外加設(shè)可設(shè)定死區(qū)時(shí)光 (trt) 的功能，以增加自適應(yīng)轉(zhuǎn)換定時(shí)的精確性。方法是在可設(shè)定死區(qū)時(shí)光引腳與接地之間加設(shè)一個(gè)可用以設(shè)定死區(qū)時(shí)光的電阻，以確定凹凸端轉(zhuǎn)換過程中的死區(qū)時(shí)光。這個(gè)死區(qū)時(shí)光設(shè)定功能加上傳揚(yáng)延

13、遲可將處于轉(zhuǎn)換過程中的互補(bǔ)性 mosfet 關(guān)閉，以免同步降壓轉(zhuǎn)換器浮現(xiàn)擊穿狀況。牢靠性任何模塊都必需在早期階段通過嚴(yán)格的測(cè)試，以確保設(shè)計(jì)完美牢靠，以免在生產(chǎn)過程中的最后階段才浮現(xiàn)意想不到的問題。有關(guān)模塊必需可以在客戶的系統(tǒng)之中舉行測(cè)試，以確保全部有可能導(dǎo)致系統(tǒng)浮現(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賦予充分的考慮。采納簇?fù)硎浇Y(jié)構(gòu)的工程師都希翼所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以延續(xù)用法無數(shù)年而很少或甚至不會(huì)浮現(xiàn)故障。因?yàn)闇y(cè)試數(shù)字顯示電源模塊的 mtbf 高達(dá)幾百萬小時(shí)，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)并不怎樣困難。但常常被人忽視的反而是印刷電路板的牢靠性問題。照目前的趨勢(shì)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，因此電流密度的增強(qiáng)可能會(huì)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需傳送大量電流，對(duì)于這些隱蔽通孔來說，其周圍必需有足夠的銅造防護(hù)裝置為其提供庇護(hù)，以確保設(shè)計(jì)更牢靠耐用。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)品用法時(shí)印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么變幻，隱蔽通孔便會(huì)外露。工程師必需參考印刷電路板廠商的專業(yè)看法，徹底復(fù)檢印刷電路板的設(shè)計(jì)，而印刷電路板廠商可以按照他們的生產(chǎn)能力提供有