設(shè)計(jì)電源模塊的那些注意事項(xiàng)

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(jī)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(yīng)器 (見(jiàn)圖1)，其特點(diǎn)是可為專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)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(lái)說(shuō)，這類模塊稱為負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(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)都廣泛采用各種模塊。雖然采用模塊有很多優(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)，往往忽略可靠性及測(cè)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(yīng)器采用電源模塊的優(yōu)點(diǎn)目前不同的供應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都各不相同。采用電源模塊可以節(jié)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(yán)格測(cè)試，以確保其高度可靠，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，集成式的解決方案便較難測(cè)試，因?yàn)檎麄€(gè)供電系統(tǒng)與電路上的其他功能系統(tǒng)緊密聯(lián)系一起。

● 不同的供應(yīng)商可以按照現(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)電源供應(yīng)器的工程師提供多種不同的選擇。
● 每一模塊的設(shè)計(jì)及測(cè)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(xiǎn)。
● 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(wèn)題，便需要將整塊主機(jī)板更換；若采用模塊式的設(shè)計(jì)，只要將問(wèn)題模塊更換便可，這樣有助節(jié)省成本及開(kāi)發(fā)時(shí)間。容易被忽略的電源模塊設(shè)計(jì)問(wèn)題雖然采用模塊式的設(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(wèn)題，很多人對(duì)這些問(wèn)題認(rèn)識(shí)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(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(cè)量技術(shù)

所有采用開(kāi)關(guān)模式的電源供應(yīng)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(cè)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(shí)，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(cè)量數(shù)字準(zhǔn)確可靠，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)字進(jìn)行測(cè)量時(shí)我們也要將測(cè)量?jī)x表可能會(huì)出現(xiàn)傳播延遲這個(gè)因素計(jì)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(shí)顯示電壓及電流波形的測(cè)量便無(wú)法確保測(cè)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(huì)將電感輸入電路之內(nèi)。典型的電流探頭會(huì)輸入 600nH 的電感。對(duì)于高頻的電路設(shè)計(jì)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(cè)量的準(zhǔn)確性，甚至令測(cè)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(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電阻的電壓。磁學(xué)的設(shè)計(jì)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?yàn)殍F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(duì)分布情況。磁心是否可靠，關(guān)鍵在于材料是否可以預(yù)測(cè)以及其供應(yīng)是否穩(wěn)定可靠。

若鐵粉磁心長(zhǎng)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(yuǎn)無(wú)法復(fù)原，因?yàn)橛袡C(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(huì)引致磁心出現(xiàn)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(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(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。采用無(wú)機(jī)膠合劑的鐵粉磁心不會(huì)有受熱老化的情況出現(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)電源供應(yīng)系統(tǒng) (POL) 或使用點(diǎn)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。

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)經(jīng)常忽視“擊穿”的問(wèn)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)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(huì)導(dǎo)致電流在開(kāi)關(guān)的一瞬間出現(xiàn)尖峰，令轉(zhuǎn)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(cè)量擊穿的情況，因?yàn)樘筋^的電感會(huì)嚴(yán)重干擾電路的操作。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，看看是否有尖峰出現(xiàn)。這是另一個(gè)檢測(cè)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(cè)。)

我們可以利用以下的方法減少擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)。采用設(shè)有“固定死區(qū)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(xiàn)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(qū)時(shí)間太短，可能無(wú)法阻止擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)。若死區(qū)時(shí)間太長(zhǎng)，電導(dǎo)損耗便會(huì)增加，因?yàn)榈讓訄?chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)置的二極管在整段死區(qū)時(shí)間內(nèi)一直在啟動(dòng)。由于這個(gè)二極管會(huì)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電，因此采用這個(gè)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(gè)減少擊穿的方法是采用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)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(jiān)測(cè)上層 MOSFET 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(guò)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(dòng)，擊穿現(xiàn)象便會(huì)出現(xiàn)。

圖4，出現(xiàn)在低端MOSFET的dv/dt感生電平振幅自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制器負(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，以致門極電壓實(shí)際上會(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)可行的方案，辦法是利用數(shù)字反饋電路檢測(cè)內(nèi)置二極管的導(dǎo)電情況以及調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)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(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(yù)測(cè)性門極驅(qū)動(dòng)，也無(wú)法保證場(chǎng)效應(yīng)晶體管不會(huì)因?yàn)?dv/dt 的電感感應(yīng)而啟動(dòng)。

延遲高端 MOSFET 的啟動(dòng)也有助減少擊穿情況出現(xiàn)。雖然這個(gè)方法可以減少或徹底消除擊穿現(xiàn)象，但缺點(diǎn)是開(kāi)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(cè)試情況經(jīng)常被人忽略，例如在負(fù)載瞬態(tài)過(guò)程中——尤其是每當(dāng)負(fù)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(tǒng)都采用多相位設(shè)計(jì)，利用驅(qū)動(dòng)器芯片驅(qū)動(dòng) MOSFET。但采用驅(qū)動(dòng)器芯片會(huì)令擊穿問(wèn)題更為復(fù)雜，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)過(guò)程之中。例如，窄頻驅(qū)動(dòng)脈沖的干擾，再加上驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)傳播延遲，都會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┣闆r的出現(xiàn)。

大部分驅(qū)動(dòng)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(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)間 (TRT) 的功能，以增強(qiáng)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換定時(shí)的準(zhǔn)確性。辦法是在可設(shè)定死區(qū)時(shí)間引腳與接地之間加設(shè)一個(gè)可用以設(shè)定死區(qū)時(shí)間的電阻，以確定高低端轉(zhuǎn)換過(guò)程中的死區(qū)時(shí)間。這個(gè)死區(qū)時(shí)間設(shè)定功能加上傳播延遲可將處于轉(zhuǎn)換過(guò)程中的互補(bǔ)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(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，以確保設(shè)計(jì)完善可靠，以免在生產(chǎn)過(guò)程中的最后階段才出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題。有關(guān)模塊必須可以在客戶的系統(tǒng)之中進(jìn)行測(cè)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(wèn)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(jì)的系統(tǒng)可以連續(xù)使用很多年而很少或甚至不會(huì)出現(xiàn)故障。由于測(cè)試數(shù)字顯示電源模塊的 MTBF 高達(dá)幾百萬(wàn)小時(shí)，要達(dá)到這個(gè)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(wèn)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(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(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(duì)于這些隱蔽通孔來(lái)說(shuō)，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(jì)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(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商的專業(yè)意見(jiàn)，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根據(jù)他們的生產(chǎn)能力提供有關(guān)印刷電路板設(shè)計(jì)可靠性的專業(yè)意見(jiàn)。

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(jì)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(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(wèn)題。