要成功設計個(gè)電源模塊必須考慮這些

如果你是個(gè)電源工程師，關(guān)于電源模塊的簡(jiǎn)介就不用看了。如果你都是小白，或是學(xué)單片機的，最好一個(gè)字一個(gè)字往下看。

電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器 (見(jiàn)圖1)，其特點(diǎn)是可為專(zhuān)用集成電路(ASIC)、數字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 及其他數字或模擬負載提供供電。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)模塊稱(chēng)為負載點(diǎn) (POL) 電源供應系統或使用點(diǎn)電源供應系統 (PUPS)。由于模塊式結構的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此高性能電信、網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系及數據通信等系統都廣泛采用各種模塊。雖然采用模塊有很多優(yōu)點(diǎn)，但工程師設計電源模塊以至大部分板上直流/直流轉換器時(shí)，往往忽略可靠性及測量方面的問(wèn)題。本文將深入探討這些問(wèn)題，并分別提出相關(guān)的解決方案。

圖1，電源供應器

采用電源模塊的優(yōu)點(diǎn)

目前不同的供應商在市場(chǎng)上推出多種不同的電源模塊，而不同產(chǎn)品的輸入電壓、輸出功率、功能及拓撲結構等都各不相同。采用電源模塊可以節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，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方案優(yōu)勝。電源模塊還有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

● 每一模塊可以分別加以嚴格測試，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(gè)供電系統與電路上的其他功能系統緊密聯(lián)系一起。

● 不同的供應商可以按照現有的技術(shù)標準設計同一大小的模塊，為設計電源供應器的工程師提供多種不同的選擇。

● 每一模塊的設計及測試都按照標準性能的規定進(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，一旦電源供應系統出現問(wèn)題，便需要將整塊主機板更換;若采用模塊式的設計，只要將問(wèn)題模塊更換便可，這樣有助節省成本及開(kāi)發(fā)時(shí)間。

容易被忽略的電源模塊設計問(wèn)題

雖然采用模塊式的設計有以上的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但模塊式設計以至板上直流/直流轉換器設計也有本身的問(wèn)題，很多人對這些問(wèn)題認識不足，或不給予足夠的重視。以下是其中的部分問(wèn)題：

● 輸出噪音的測量;

● 磁力系統的設計;

● 同步降壓轉換器的擊穿現象;

● 印刷電路板的可靠性。

這些問(wèn)題會(huì )將在下文中一一加以討論，同時(shí)還會(huì )介紹多種可解決這些問(wèn)題的簡(jiǎn)單技術(shù)。

輸出噪音的測量技術(shù)

所有采用開(kāi)關(guān)模式的電源供應器都會(huì )輸出噪音。開(kāi)關(guān)頻率越高，便越需要采用正確的測量技術(shù)，以確保所量度的數據準確可靠。量度輸出噪音及其他重要數據時(shí)，可以采用圖2所示的 Tektronix 探針探頭 (一般稱(chēng)為冷噴嘴探頭)，以確保測量數字準確可靠，而且符合預測。這種測量技術(shù)也確保接地環(huán)路可減至最小。

圖2，測量輸出噪音數字

進(jìn)行測量時(shí)我們也要將測量?jì)x表可能會(huì )出現傳播延遲這個(gè)因素計算在內。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(shí)顯示電壓及電流波形的測量便無(wú)法確保測量數字的準確度，除非利用人手將不同的延遲加以均衡。

電流探頭也會(huì )將電感輸入電路之內。典型的電流探頭會(huì )輸入 600nH 的電感。對于高頻的電路設計來(lái)說(shuō)，由于電路可承受的電感不能超過(guò)1mH，因此，經(jīng)由探頭輸入的電感會(huì )影響 di/dt 電流測量的準確性，甚至令測量數字出現很大的誤差。若電感器已飽和，則可采用另一更為準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。

磁學(xué)的設計

磁心是否可靠是另一個(gè)經(jīng)常被人忽略的問(wèn)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，使磁心內外滿(mǎn)布透氣空間。

鐵粉是構成磁心的原材料，但鐵粉含有小量的雜質(zhì)如錳及鉻，而這些雜質(zhì)會(huì )影響磁心的可靠性，影響程度視乎所含雜質(zhì)的數量。我們可以利用光譜電子顯微鏡 (SEM) 仔細查看磁心的截面，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測以及其供應是否穩定可靠。

若鐵粉磁心長(cháng)期處于高溫環(huán)境之中，磁心損耗可能會(huì )增加，而且損耗一旦增多，便永遠無(wú)法復原，因為有機膠合劑出現份子分解，令渦流損耗增加。這種現象可稱(chēng)為熱老化，最后可能會(huì )引致磁心出現熱失控。

磁心損耗的大小受交流電通量密度、操作頻率、磁心大小及物料類(lèi)別等多個(gè)不同因素影響。以高頻操作為例來(lái)說(shuō)，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)生渦流損耗的原因是以鐵磁物質(zhì)造成的物體受不同時(shí)間的不同磁通影響令物體內產(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)品供應商如 Magnetics 也生產(chǎn)以磁帶繞成的磁心。

Micrometals 等磁心產(chǎn)品供應商特別為設計磁性產(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(wú)機膠合劑的鐵粉磁心不會(huì )有受熱老化的情況出現。市場(chǎng)上已有這類(lèi)磁心出售，Micrometals 的 200C 系列磁心便屬于這類(lèi)產(chǎn)品。

同步降壓轉換器的擊穿現象

負載點(diǎn)電源供應系統 (POL) 或使用點(diǎn)電源供應系統 (PUPS) 等供電系統都廣泛采用同步降壓轉換器 (圖3)。這種同步降壓轉換器采用高端及低端的 MOSFET 取代傳統降壓轉換器的箝位二極管，以便降低負載電流的損耗。

圖3，同步降壓轉換器

工程師設計降壓轉換器時(shí)經(jīng)常忽視“擊穿”的問(wèn)題。每當高端及低端 MOSFET 同時(shí)全面或局部啟動(dòng)時(shí)，便會(huì )出現“擊穿”的現象，使輸入電壓可以將電流直接輸送到接地。

擊穿現象會(huì )導致電流在開(kāi)關(guān)的一瞬間出現尖峰，令轉換器無(wú)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(huì )嚴重干擾電路的操作。我們可以檢查兩個(gè)場(chǎng)效應晶體管 (FET) 的門(mén)極/源極電壓，看看是否有尖峰出現。這是另一個(gè)檢測擊穿現象的方法。(上層 MOSFET 的門(mén)極/源極電壓可以利用差分方式加以監測。)

我們可以利用以下的方法減少擊穿現象的出現。

采用設有“固定死區時(shí)間”的控制器芯片是其中一個(gè)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(huì )出現一段延遲時(shí)間，才讓下層 MOSFET 重新啟動(dòng)。這個(gè)方法較為簡(jiǎn)單，但真正實(shí)行時(shí)則要很小心。若死區時(shí)間太短，可能無(wú)法阻止擊穿現象的出現。若死區時(shí)間太長(cháng)，電導損耗便會(huì )增加，因為底層場(chǎng)效應晶體管內置的二極管在整段死區時(shí)間內一直在啟動(dòng)。由于這個(gè)二極管會(huì )在死區時(shí)間內導電，因此采用這個(gè)方法的系統效率便取決于底層 MOSFET 的內置二極管的特性。

另一個(gè)減少擊穿的方法是采用設有“自適應死區時(shí)間”的控制器芯片。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以不斷監測上層 MOSFET 的門(mén)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(guò)電感感應令低端 MOSFET 的門(mén)極出現 dv/dt 尖峰，以致推高門(mén)極電壓 (圖4)。若門(mén)極/源極電壓高至足以將之啟動(dòng)，擊穿現象便會(huì )出現。

圖4，出現在低端MOSFET的dv/dt感生電平振幅

自適應死區時(shí)間控制器負責在外面監測 MOSFET 的門(mén)極電壓。因此，任何新加的外置門(mén)極電阻會(huì )分去控制器內置下拉電阻的部分電壓，以致門(mén)極電壓實(shí)際上會(huì )比控制器監控的電壓高。

預測性門(mén)極驅動(dòng)是另一個(gè)可行的方案，辦法是利用數字反饋電路檢測內置二極管的導電情況以及調節死區時(shí)間延遲，以便將內置二極管的導電減至最少，確保系統可以發(fā)揮最高的效率。若采用這個(gè)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(huì )增加。

有一點(diǎn)需要注意，即使采用預測性門(mén)極驅動(dòng)，也無(wú)法保證場(chǎng)效應晶體管不會(huì )因為 dv/dt 的電感感應而啟動(dòng)。

延遲高端 MOSFET 的啟動(dòng)也有助減少擊穿情況出現。雖然這個(gè)方法可以減少或徹底消除擊穿現象，但缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損耗較高，而效率也會(huì )下降。我們若選用較好的 MOSFET，也有助縮小出現在底層 MOSFET 門(mén)極的 dv/dt 電感電壓振幅。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高，在 MOSFET 門(mén)極上出現的電感電壓便越低。

擊穿的測試情況經(jīng)常被人忽略，例如在負載瞬態(tài)過(guò)程中——尤其是每當負載已解除或突然減少時(shí)——控制器會(huì )不斷產(chǎn)生窄頻脈沖。目前大部分高電流系統都采用多相位設計，利用驅動(dòng)器芯片驅動(dòng) MOSFET。但采用驅動(dòng)器芯片會(huì )令擊穿問(wèn)題更為復雜，尤其是當負載處于瞬態(tài)過(guò)程之中。例如，窄頻驅動(dòng)脈沖的干擾，再加上驅動(dòng)器出現傳播延遲，都會(huì )導致?lián)舸┣闆r的出現。

大部分驅動(dòng)器芯片生產(chǎn)商都特別規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(gè)最低要求，便不會(huì )有脈沖輸入 MOSFET 的門(mén)極。

此外，生產(chǎn)商也為驅動(dòng)器芯片另外加設可設定死區時(shí)間 (TRT) 的功能，以增強自適應轉換定時(shí)的準確性。辦法是在可設定死區時(shí)間引腳與接地之間加設一個(gè)可用以設定死區時(shí)間的電阻，以確定高低端轉換過(guò)程中的死區時(shí)間。這個(gè)死區時(shí)間設定功能加上傳播延遲可將處于轉換過(guò)程中的互補性 MOSFET 關(guān)閉，以免同步降壓轉換器出現擊穿情況。

可靠性

任何模塊都必須在早期階段通過(guò)嚴格的測試，以確保設計完善可靠，以免在生產(chǎn)過(guò)程中的最后階段才出現意想不到的問(wèn)題。有關(guān)模塊必須可以在客戶(hù)的系統之中進(jìn)行測試，以確保所有有可能導致系統出現故障的相關(guān)因素，例如散熱扇故障、散熱扇間歇性停頓等問(wèn)題都能給予充分的考慮。采用分散式結構的工程師都希望所設計的系統可以連續使用很多年而很少或甚至不會(huì )出現故障。由于測試數字顯示電源模塊的 MTBF 高達幾百萬(wàn)小時(shí)，要達到這個(gè)目標并不怎樣困難。

但經(jīng)常被人忽略的反而是印刷電路板的可靠性問(wèn)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(lái)越大，因此電流密度的增加可能會(huì )引致隱蔽式或其他通孔無(wú)法執行正常功能。

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(lái)說(shuō)，其周?chē)仨氂凶銐虻你~造防護裝置為其提供保護，以確保設計更可靠耐用。這種防護裝置也可抑制 z 軸的受熱膨脹幅度，若非如此，生產(chǎn)過(guò)程中以及產(chǎn)品使用時(shí)印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么變化，隱蔽通孔便會(huì )外露。工程師必須參考印刷電路板廠(chǎng)商的專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)，徹底復檢印刷電路板的設計，而印刷電路板廠(chǎng)商可以根據他們的生產(chǎn)能力提供有關(guān)印刷電路板設計可靠性的專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)。

總結

我們若要利用電源模塊組建可靠的電源供應系統，便必須解決設計可靠性的問(wèn)題。上文集中討論幾個(gè)主要問(wèn)題，其中包括鐵粉磁心的可靠性、磁系統的特性、同步降壓轉換器的擊穿現象以及高電流系統印刷電路板的可靠性等問(wèn)題。