干貨 | 電源模塊的可靠性設(shè)計(jì)有何訣竅?

現(xiàn)在電源模塊的體積越來越小，功率密度也越來越高，并且模塊的工作環(huán)境也愈發(fā)惡劣，其高低溫設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)以及應(yīng)力問題逐漸引起了各位工程師的重視。電源模塊的可靠性設(shè)計(jì)有何秘籍？本文為你揭曉。

對(duì)于一個(gè)電源模塊來說，首先要滿足輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波和噪聲等輸入輸出特性滿足使用要求。而在這之后各位工程師最常關(guān)注的參數(shù)便是其高低溫性能了。

高低溫測(cè)試

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是不同的

高低溫測(cè)試被用來確定產(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。因?yàn)?a target="_blank">元器件的特性在低溫、高溫的條件下會(huì)發(fā)生一定的變化，性能參數(shù)具有溫度漂移特性。所以往往很多電源模塊在常溫條件下沒有問題，但拿到高低溫環(huán)境測(cè)試就發(fā)現(xiàn)工作不正?；蛘咝阅軈?shù)明顯下降。

電源模塊低溫和高溫工作常常會(huì)造成以下現(xiàn)象：

工作振蕩，輸出電壓紋波和噪聲變大，頻率發(fā)生改變，嚴(yán)重的甚至輸出電壓跳變，模塊嘯叫；

啟動(dòng)不良，如啟動(dòng)時(shí)輸出電壓升上波形有明顯掉溝，輸出電壓不穩(wěn)定，甚至模塊完全啟動(dòng)失效；

帶容性負(fù)載能力減弱，無法帶最大容性負(fù)載啟動(dòng)；

啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過沖幅度變大，超出規(guī)定范圍；

重載或滿載工作時(shí)輸出電壓明顯降低；

高溫老化損壞，模塊沒有輸出；

熱設(shè)計(jì)

電源模塊的熱設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單來說就是：通過熱設(shè)計(jì)在滿足性能要求的前提下盡可能減少模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，減少熱阻，選擇合理的冷卻方式。發(fā)熱元器件要盡可能使其分散布局。設(shè)計(jì)PCB板時(shí)要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導(dǎo)。對(duì)于大功率的貼片元器件，可以采用大面積敷銅箔的方式，以加大PCB的散熱面積。電源模塊內(nèi)部可通過填充導(dǎo)熱硅膠和樹脂等來降低模塊內(nèi)部元器件的溫升。對(duì)于體積較大的電源模塊，可以使用散熱片進(jìn)行散熱，增加對(duì)流和輻射的表面積從而大大地改善了電子器件的散熱效果。

圖中展示的是尚未灌封的某電源模塊，常溫長(zhǎng)時(shí)間工作后采用紅外熱成像儀測(cè)試其表面溫度。其中MOS管常溫不灌封實(shí)測(cè)的最高溫度為85.5℃，然后采用熱電偶配合數(shù)據(jù)采集儀對(duì)填充灌封膠的成品在高溫條件下測(cè)試其各種情況下的溫度，最高為97.2℃，對(duì)于最高溫度為175℃的MOS管，其溫度降額滿足Ⅰ級(jí)降額，性能可謂是比較優(yōu)異的。

降額設(shè)計(jì)

所謂的降額設(shè)計(jì)是使零部件的使用應(yīng)力低于其額定應(yīng)力的一種設(shè)計(jì)方法。將元器件進(jìn)行降額使用使電子元器件的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，具體降額等級(jí)可以參考《國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)——元器件降額準(zhǔn)則GJB/Z35-93》，一般可分成三個(gè)降額等級(jí)：

應(yīng)力設(shè)計(jì)

對(duì)于電源模塊的應(yīng)力設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注場(chǎng)效應(yīng)管(MOS管)、二極管、變壓器、功率電感、電解電容、限流電阻等。保證全電壓范圍內(nèi)在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、短路等各種極限條件下都能有足夠的降額，以保障產(chǎn)品的可靠性。例如對(duì)于某Vds最高電壓為100V的MOS管，作為電源模塊的主功率開關(guān)管，實(shí)測(cè)其在最高輸入電壓下的各種狀態(tài)(如圖1～3所示)，最高Vds=67.2V，降額因子0.672，滿足Ⅰ級(jí)降額，余量很充足。

圖1 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)MOS管波形Vds_max=57.2V

圖2 輸出短路時(shí)MOS管波形Vds_max=67.2V

圖3 起機(jī)瞬態(tài)時(shí)MOS管波形Vds_max=59V

由于電源模塊越趨于小型化，功率密度相應(yīng)越來越高，電源模塊有關(guān)熱設(shè)計(jì)方面的問題尤其突出。特別是對(duì)使用有電解電容的電源模塊，高溫會(huì)使電解電容的電解液加速消耗，大大減少電解電容的壽命。高溫會(huì)使元器件材料加速老化，例如使得變壓器漆包線的絕緣特性降低，導(dǎo)致絕緣耐壓不良甚至造成匝間短路。良好的熱設(shè)計(jì)不僅可延長(zhǎng)電源模塊和其周圍元器件的使用壽命，還可使整個(gè)產(chǎn)品發(fā)熱均勻，減少故障的發(fā)生。