如何讓電路的心臟——“電源”更可靠

1引言

開關(guān)電源是各種系統(tǒng)的核心部分。開關(guān)電源的需求越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)可靠性提出了越來(lái)越高的要求。涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多。目前，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全（或基本上）歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和環(huán)境溫度對(duì)可靠性的決定性的作用。據(jù)美國(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問(wèn)題80％源于設(shè)計(jì)方面（日本把元器件的選型、質(zhì)量級(jí)別的確定、元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因）。以上兩方面的數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)及元器件（元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率）的原因造成的故障，在開關(guān)電源故障原因中占80％左右。減少這兩方面造成的開關(guān)電源故障，具有重要的意義?？傊?，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需要明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性作為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真對(duì)待開關(guān)電源可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的措施提高開關(guān)電源的可靠性，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、可靠的目標(biāo)。本文就從這兩個(gè)方面來(lái)研究與闡述。

2 系統(tǒng)可靠性的定義及指標(biāo)

國(guó)際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng)，也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。描述這種隨機(jī)事件的概率可用來(lái)作為表征開關(guān)電源可靠性的特征量和特征函數(shù)。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。

如系統(tǒng)在開始 （t=0）時(shí)有n0個(gè)元件在工作，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作，

則

可靠性 R(t)=n/n00≤R(t) ≤1

失效率 λ(t)= - dinR(t)/dt

λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數(shù)，則

dn/dt=-λt

n=n0e-λt

R(t)=e-λt0

MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）=1/λ

平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）是開關(guān)電源的一個(gè)重要指標(biāo)，用來(lái)衡量開關(guān)電源的可靠性。

3影響開關(guān)電源可靠性的因素

從各研究機(jī)構(gòu)研究成果可以看出，環(huán)境溫度和負(fù)荷率對(duì)可靠性影響很大，這兩個(gè)方面對(duì)開關(guān)電源的影響很大，下面將從這兩方面分析，如何設(shè)計(jì)出高可靠的開關(guān)電源。其中：PD為使用功率；PR為額定功率主。UD為使用電壓；UR為額定電壓。

3.1 環(huán)境溫度對(duì)元器件的影響

3.1.1 環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體IC的影響

硅三極管以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)溫度對(duì)可靠性的影響，如表2所示。

由表2可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了30倍。

3.1.2 環(huán)境溫度對(duì)電容器的影響

以UD/UR=0.65使用負(fù)荷設(shè)計(jì) 則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表3所示。

從表3可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了14倍。

3.1.3 環(huán)境溫度對(duì)電阻器的影響

以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表4所示。

從表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了4倍。

3.2 負(fù)荷率對(duì)元器件的影響

3.2.1 負(fù)荷率對(duì)半導(dǎo)體IC的影響
當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，PD/PR對(duì)失效率的影響如表5所示。

由表5可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍。

3.2.2 負(fù)荷率對(duì)電阻的影響

負(fù)荷率對(duì)電阻的影響如表6所示。

從表6可以看出，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。

4可靠性設(shè)計(jì)的原則

我們可以從上面的分析中得出開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)原則。

4.1可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)包含定量的可靠性要求。

4.2可靠性設(shè)計(jì)與器件的功能設(shè)計(jì)相結(jié)合，在滿足器件性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量提高器件的可靠性水平。

4.3應(yīng)針對(duì)器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應(yīng)制約因素進(jìn)行綜合平衡設(shè)計(jì)。

4.4在可靠性設(shè)計(jì)中盡可能采用國(guó)、內(nèi)外成熟的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝和新原理。

4.5對(duì)于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗佘度。

4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目。

4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。

4.8 選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件。

4.9 原則上不選用電解電容。

4.10 對(duì)電源進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，控制環(huán)境溫度，不致溫度過(guò)高，導(dǎo)致元器件失效率增加。

4.11 盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

4.12 應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件，禁止選用塑料封裝的器件。

5可靠性設(shè)計(jì)

5.1 負(fù)荷率的設(shè)計(jì)

由于負(fù)荷率對(duì)可靠性有重大影響，故可靠性設(shè)計(jì)重要的一個(gè)方面是負(fù)荷率的設(shè)計(jì)，跟據(jù)元器件的特性及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，元器件的負(fù)荷率在下列數(shù)值時(shí)，電源系統(tǒng)的可靠性及成本是較優(yōu)

的。

5.1.1半導(dǎo)體元器件

半導(dǎo)體元器件的電壓降額應(yīng)在0.6以下，電流降額系數(shù)應(yīng)在0.5以下。半導(dǎo)體元器件除負(fù)荷率外還有容差設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放寬半導(dǎo)體元器件的參數(shù)允許變化范圍，包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移、輻射導(dǎo)致的漂移等。以保證半導(dǎo)體元器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，開關(guān)電源仍能正常工作。

5.1.2電容器
電容器的負(fù)荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8，并且盡量使用無(wú)極性電容器。而且，在高頻應(yīng)用的情況下，電壓降額幅度應(yīng)進(jìn)一步加大，對(duì)電解電容器更應(yīng)如此。應(yīng)特別注意，電容器有低壓失效的問(wèn)題，對(duì)于普通鋁電解電容器和無(wú)極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應(yīng)在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。

5.1.3電阻器、電位器
電阻器、電位器的負(fù)荷率要小于0.5,此為電阻器設(shè)計(jì)的上限值；但是大量試驗(yàn)證明，當(dāng)電阻器降額數(shù)低于0.1時(shí)，將得不到預(yù)期的效果，失效率有所增加，電阻降額系數(shù)以0.1為可靠性降額設(shè)計(jì)的下限值。

總之，對(duì)各種元器件的負(fù)荷率只要有可能，一般應(yīng)保持在0.3左右。最好不要超過(guò)0.5。這樣的負(fù)荷率，對(duì)電源系統(tǒng)造成不可靠的機(jī)率是非常小的。

5.2 電源的熱設(shè)計(jì)
開關(guān)電源內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%；溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響開關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開關(guān)電源有大功率發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一，完整的熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一 如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二 如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開關(guān)電源的可靠性。下面將從這兩個(gè)方面論述。

5.2.1 控制發(fā)熱量的設(shè)計(jì)
開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高開關(guān)電源的可靠性，提高平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）。開關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開關(guān)管的損耗由開關(guān)過(guò)程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過(guò)選用低通態(tài)電阻的開關(guān)管來(lái)減小通態(tài)損耗；開關(guān)過(guò)程損耗是由于柵電荷大小及開關(guān)時(shí)間引起的，減小開關(guān)過(guò)程損耗可以選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少。但更為重要的是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減小損耗，如采用軟開關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對(duì)交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會(huì)有更好的控制技術(shù)來(lái)減小損耗，可以通過(guò)選擇高質(zhì)量的二極管來(lái)減小損耗。對(duì)于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來(lái)減小損耗。對(duì)于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應(yīng)，對(duì)于趨膚效應(yīng)造成的影響，可采用多股細(xì)漆包線并繞的辦法來(lái)解決。

5.2.2 開關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)
MOS管導(dǎo)通時(shí)有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關(guān)。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可表示為：

PD="Tj-Tc/RT"

式中，Tj 是額定結(jié)溫（Tj=150℃），Tc是殼溫，RT是結(jié)到管殼間的穩(wěn)態(tài)熱阻，Tj代表器件的耐熱能力，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發(fā)熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。

散熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流。根據(jù)散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器；或選擇強(qiáng)制風(fēng)冷：加裝風(fēng)扇。加裝散熱器主要利用熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過(guò)傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過(guò)能流換熱的方式由空氣傳遞熱量，進(jìn)行散熱。

5.2.3 電源的散熱仿真

散熱仿真是開發(fā)電源產(chǎn)品以及提供產(chǎn)品材料指南一個(gè)重要的組成部分。優(yōu)化模塊外形尺寸是終端設(shè)備設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，這就帶來(lái)了從金屬散熱片向 PCB 覆銅層散熱管理轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。當(dāng)今的一些模塊均使用較低的開關(guān)頻率，用于開關(guān)模式電源和大型無(wú)源組件。對(duì)于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路的電壓轉(zhuǎn)換和靜態(tài)電流而言，線性穩(wěn)壓器的效率較低。

隨著功能越來(lái)越豐富，性能越來(lái)越高，設(shè)備設(shè)計(jì)也變得日益緊湊，這時(shí) IC 級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的散熱仿真就顯得非常重要了。

一些應(yīng)用的工作環(huán)境溫度為 70 到 125℃，并且一些裸片尺寸車載應(yīng)用的溫度甚至高達(dá) 140℃，就這些應(yīng)用而言，系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行非常重要。進(jìn)行電子設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，上述兩類應(yīng)用的瞬態(tài)和靜態(tài)最壞情況下的精確散熱分析正變得日益重要。

散熱管理

散熱管理的難點(diǎn)在于要在獲得更高散熱性能、更高工作環(huán)境溫度以及更低覆銅散熱層預(yù)算的同時(shí)，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導(dǎo)致產(chǎn)生熱量組件較高的集中度，從而帶來(lái)在 IC 級(jí)和封裝級(jí)極高的熱通量。

系統(tǒng)中需要考慮的因素包括可能會(huì)影響分析器件溫度、系統(tǒng)空間和氣流設(shè)計(jì)/限制條件等其他一些印刷電路板功率器件。散熱管理要考慮的三個(gè)層面分別為：封裝、電路板和系統(tǒng)（請(qǐng)參見圖 1）。

圖 1 IC 封裝中典型的熱傳遞路徑

低成本、小外形尺寸、模塊集成和封裝可靠性是選擇封裝時(shí)需要考慮的幾個(gè)方面。由于成本成為關(guān)鍵的考慮因素，因此基于引線框架的散熱增強(qiáng)封裝正日益受到人們的青睞。這種封裝包括內(nèi)嵌散熱片或裸露焊盤和均熱片型封裝，設(shè)計(jì)旨在提高散熱性能。在一些表面貼裝封裝中，一些專用引線框架在封裝的每一面均熔接幾條引線，以起到均熱器的作用。這種方法為裸片焊盤的熱傳遞提供了較好的散熱路徑。

IC 與封裝散熱仿真

散熱分析要求詳細(xì)、準(zhǔn)確的硅芯片產(chǎn)品模型和外殼散熱屬性。半導(dǎo)體供應(yīng)商提供硅芯片 IC 散熱機(jī)械屬性和封裝，而設(shè)備制造商則提供模塊材料的相關(guān)信息。產(chǎn)品用戶提供使用環(huán)境資料。

這種分析有助于 IC 設(shè)計(jì)人員對(duì)電源 FET 尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以適用于瞬態(tài)和靜態(tài)運(yùn)行模式中的最壞情況下的功耗。在許多電源電子 IC 中，電源 FET 都占用了裸片面積相當(dāng)大的一部分。散熱分析有助于設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

選用的封裝一般會(huì)讓部分金屬外露，以此來(lái)提供硅芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關(guān)鍵參數(shù)如下：

硅芯片尺寸縱橫比和芯片厚度。

功率器件面積和位置，以及任何發(fā)熱的輔助驅(qū)動(dòng)電路。

電源結(jié)構(gòu)厚度（硅芯片內(nèi)分散情況）。

硅芯片連接至外露金屬焊盤或金屬突起連接處的裸片連接面積與厚度。可能包括裸片連接材料氣隙百分比。

外露金屬焊盤或金屬突起連接處的面積和厚度。

使用鑄模材料和連接引線的封裝尺寸。

需提供模型所用每一種材料的熱傳導(dǎo)屬性。這種數(shù)據(jù)輸入還包括所有熱傳導(dǎo)屬性的溫度依賴性變化，這些傳導(dǎo)屬性具體包括：

硅芯片熱傳導(dǎo)性

裸片連接、鑄模材料的熱傳導(dǎo)性

金屬焊盤或金屬突起連接處的熱傳導(dǎo)性。

封裝類型 (packageproduct) 和 PCB 相互作用

散熱仿真的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)是確定焊盤到散熱片材料的熱阻，其確定方法主要有以下幾種：

多層 FR4 電路板（常見的為四層和六層電路板）

單端電路板

頂層及底層電路板

散熱和熱阻路徑根據(jù)不同的實(shí)施方法而各異：

連接至內(nèi)部散熱片面板的散熱焊盤或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 頂層。

位于外露散熱焊盤或突起連接處下方PCB 上的一個(gè)開口，可以和連接至模塊金屬外殼的伸出散熱片基座相連。

利用金屬螺釘將散熱層連接至金屬外殼的 PCB 頂部或底部覆銅層上的散熱片。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 的頂層。

另外，每層 PCB 上所用鍍銅的重量或厚度非常關(guān)鍵。就熱阻分析而言，連接至外露焊盤或突起連接處的各層直接受這一參數(shù)的影響。一般而言，這就是多層印刷電路板中的頂部、散熱片和底部層。

大多數(shù)應(yīng)用中，其可以是兩盎司重的覆銅（2 盎司銅=2.8 mils或 71 μm）外部層，以及1盎司重的覆銅（1盎司銅= 1.4 mils 或 35μm）內(nèi)部層，或者所有均為 1 盎司重的覆銅層。在消費(fèi)類電子應(yīng)用中，一些應(yīng)用甚至?xí)褂?0.5 盎司重的覆銅（0.5 盎司銅= 0.7 mils 或 18 μm）層。

模型資料

仿真裸片溫度需要一張 IC 平面布置圖，其中包括裸片上所有的電源FET 以及符合封裝焊接原則的實(shí)際位置。

每一個(gè) FET 的尺寸和縱橫比，對(duì)熱分布都非常重要。需要考慮的另一個(gè)重要因素是 FET 是否同時(shí)或順序上電。模型精度取決于所使用的物理數(shù)據(jù)和材料屬性。

模型的靜態(tài)或平均功耗分析只需很短的計(jì)算時(shí)間，并且一旦記錄到最高溫度時(shí)便出現(xiàn)收斂。

瞬態(tài)分析要求功耗－時(shí)間對(duì)比數(shù)據(jù)。我們使用了比開關(guān)電源情況更好的解析步驟來(lái)記錄數(shù)據(jù)，以精確地對(duì)快速功率脈沖期間的峰值溫度上升進(jìn)行捕獲。這種分析一般費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，且要求比靜態(tài)功率模擬更多的數(shù)據(jù)輸入。

該模型可仿真裸片連接區(qū)域的環(huán)氧樹脂氣孔，或 PCB 散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下，環(huán)氧樹脂/鍍層氣孔都會(huì)影響封裝的熱阻（請(qǐng)參見圖 2）。

圖 2 熱傳遞的熱阻路徑

散熱定義

Θja—表示周圍熱阻的裸片結(jié)點(diǎn)，通常用于散熱封裝性能對(duì)比。

·Θjc—表示外殼頂部熱阻的裸片結(jié)點(diǎn)。

·Θjp—表示外露散熱焊盤熱阻的芯片結(jié)點(diǎn)，通常用于預(yù)測(cè)裸片結(jié)點(diǎn)溫度的較好參考。

Θjb—表示一條引線熱阻路徑下電路板的裸片結(jié)點(diǎn)。

PCB 與模塊外殼的實(shí)施

數(shù)據(jù)表明需要進(jìn)行一些改動(dòng)來(lái)降低頂部層附近裸片上的 FET 最高溫度，以防止熱點(diǎn)超出 150C 的 T 結(jié)點(diǎn)（請(qǐng)參見圖 3）。系統(tǒng)用戶可以選擇控制該特定序列下的功率分布，以此來(lái)降低裸片上的功率溫度。

圖 3 由散熱仿真得到的一個(gè)結(jié)果示例

散熱仿真是開發(fā)電源產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分。此外，其還能夠指導(dǎo)您對(duì)熱阻參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，涵蓋了從硅芯片 FET 結(jié)點(diǎn)到產(chǎn)品中各種材料實(shí)施的整個(gè)范圍。一旦了解了不同的熱阻路徑之后，我們便可以對(duì)許多系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以適用于所有應(yīng)用。

該數(shù)據(jù)還可以被用于確定降額因子與環(huán)境運(yùn)行溫度升高之間相關(guān)性的準(zhǔn)則。這些結(jié)果可用來(lái)幫助產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)其設(shè)計(jì)。