電源適配器模塊的可靠性

      提高DC/DC變換器的效率,從而改善熱性能,提高可靠性及降低成本,一直是電源適配器設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)?標(biāo)準(zhǔn)的半磚封裝的電源適配器產(chǎn)品可以提供高達(dá)60A的電流,標(biāo)準(zhǔn)的1/4磚封裝電源適配器產(chǎn)品能夠供應(yīng)30A的電流,效率超過90%?

      在性能方面的這個(gè)巨大進(jìn)展之所以能夠?qū)崿F(xiàn),是因?yàn)槌霈F(xiàn)了高性能的金屬氧化物半導(dǎo)體  場效應(yīng)晶體管( MOSFET),在同步整流器中用它取代普通設(shè)計(jì)中使用的二極管整流器?由于這個(gè)重大變化,與前一代的產(chǎn)品相比,可以把高效率DC/DC變換器的功率密度增大一倍

      雖然這個(gè)進(jìn)展對產(chǎn)業(yè)界有著巨大影響,但還有許多其他因素影響電源適配器模塊的可靠性?現(xiàn) 在大多數(shù)的仿真與數(shù)字集成電路是非常可靠的,大多數(shù)設(shè)備制造商都使用由相同供貨商提供  類似的組件?但現(xiàn)在的高功率密度變換器的可靠性差別很大,這是因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)很復(fù)雜,組件承受過載電壓和過載電流的能力和功耗不同?值得注意的是,雖然高效率協(xié)助降低了熱功耗,這并不等于說可靠性也相應(yīng)地提高?為了確保產(chǎn)品具有較好的性能表現(xiàn),設(shè)計(jì)人員必須掌握那些影響電源適配器模塊可靠性的因素,包括系統(tǒng)的工作溫度?DC/DC變換器為了達(dá)到安全工作溫度而采取的內(nèi)部設(shè)計(jì)規(guī)則?DC/DC組件的技術(shù)特性和等級?系統(tǒng)中的氣流及其在電源適配器模塊上流動(dòng)的方向?電源適配器模塊的輸入電壓及負(fù)載的要求?系統(tǒng)需要的供電及溫度變化狀況

       所有這些因素都影響電源適配器模塊的可靠性?系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可控制的一個(gè)重要因素是電源適配器  模塊的溫度?

  (1)高效率電源適配器模塊的優(yōu)點(diǎn)

     與標(biāo)準(zhǔn)效率的電源適配器模塊相比,高效率電源適配器模塊的優(yōu)點(diǎn)如表6-14所示

 高效率電源適配器模塊的優(yōu)點(diǎn)高效率的優(yōu)點(diǎn)

    高效率電源適配器模塊有兩種:一種是有底板的,一種是沒有底板的?有底板產(chǎn)品為設(shè)計(jì)人員帶長等來以下的優(yōu)點(diǎn)和好處,優(yōu)點(diǎn)如表6-15所示?

（2）電源適配器模塊的設(shè)計(jì)規(guī)則

    眾所周知,大多數(shù)電子系統(tǒng)的可靠性都受溫度影響?人們通常使用設(shè)計(jì)規(guī)則來比較故障率的數(shù)字?根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,其中一條設(shè)計(jì)規(guī)則顯示組件在65℃以上的環(huán)境下工作時(shí),溫度每上升10℃,故障率便增加一倍?這個(gè)常用的規(guī)則是基于以下的假定:用作比較的產(chǎn)品是用類似的設(shè)計(jì)和制造原理制作的,而組件是在相近的條件下工作(例如,在指定的外圍環(huán)境下,芯片的溫度也相同)?實(shí)際上,不同的設(shè)計(jì)條件會對模塊的整體性能及可靠性造成影響根據(jù)另一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則,如果組件是在其額定較高結(jié)溫(T=x)的70%~80%下工作,將享有很高的可靠性?對半導(dǎo)體來說,Tm通常保證為+150℃或+175℃?根據(jù)這些數(shù)字,半導(dǎo)體器件的結(jié)溫應(yīng)該分別維持在低于+120℃和+135℃的水平?按照這個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則保持結(jié)溫處于較低水平,將可大大地提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性?

（3）電源適配器確定熱性能

     電源適配器制造商通過內(nèi)部測試為DC/DC變換器制定了熱指針或者降額曲線?這些測試通常用風(fēng)洞系統(tǒng)協(xié)助進(jìn)行,以確定在不同對流條件下電源適配器模塊的熱性能?因DC/DC變換器制造商都是按照自己的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試?而這些標(biāo)準(zhǔn)往往受到現(xiàn)有的測試設(shè)備?測試費(fèi)用以及許多其他因素所影響?這些變量意味著DC/DC變換器的降額曲線會造成誤導(dǎo),設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮到這些內(nèi)部測試的結(jié)果對設(shè)計(jì)帶來的影響?

     風(fēng)洞有多種不同的形狀和尺寸,加上電源適配器模塊可以放置在風(fēng)洞的不同位置,這些都會影響測試結(jié)果?若氣流系統(tǒng)龐大,足以讓氣流在模塊的四周流動(dòng),這與漏斗式風(fēng)洞不同?漏斗式風(fēng)洞強(qiáng)迫空氣直接吹到模塊上面?由于大多數(shù)的應(yīng)用并不是采用漏斗式或強(qiáng)迫式氣流,因此非漏斗式測試程序?qū)⒖傻玫捷^穩(wěn)健的結(jié)果?

  氣流的測量也是很重要的?應(yīng)利用熱線風(fēng)速表直接測量模塊前的氣流,以保證流量的準(zhǔn)  確度?氣流系統(tǒng)利用層流,是比較保守穩(wěn)健的方法,會獲得較佳的測試結(jié)果?降額曲線是根據(jù)在較壞的方向進(jìn)行,確保在任何方向下電源適配器模塊操作都不受影響?

       在測試過程中,溫度穩(wěn)定的時(shí)間越長,測量的結(jié)果越準(zhǔn)確?基于這個(gè)方法,測量結(jié)果足以保證溫度的穩(wěn)定性,雖然實(shí)際測試的時(shí)間會長一些,而準(zhǔn)確性是預(yù)備熱降額曲線重要的環(huán)?為了確保對系統(tǒng)運(yùn)作及可靠性起著關(guān)鍵作用的組件獲得較佳性能,在特殊應(yīng)用的系統(tǒng)中要對模塊的測試進(jìn)行個(gè)別比較確定熱性能的另一個(gè)方法就是利用發(fā)熱圖像,即使用紅外攝影機(jī)來測量溫度?這對于確定正確溫度非常有效,設(shè)計(jì)人員必須要深入研究有關(guān)模塊的方向?氣流的類型?穩(wěn)定時(shí)間有多長等?比較熱數(shù)據(jù)的較佳方法是將不同的模塊并排起來作紅外掃描(包括不同方向和測試板)?

       可靠性是電源適配器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵?其中,在比較DC/DC變換器的可靠性指針時(shí),首先要明了這些指針是在什么假定和情況下得到的?可靠性與熱性能及工作溫度的關(guān)系十分密切?工作溫度每上升10℃,故障率就增大一倍?在典型的系統(tǒng)中,MTBF(無故障平均時(shí)間的計(jì)算是非常有意義的,但由于受到機(jī)柜內(nèi)其他組件所產(chǎn)生熱量的影響,電源適配器模塊附近空氣的溫度一般在55℃左右?這就需要在設(shè)計(jì)中選用的DC/DC電源適配器模塊必須能夠在溫度上升時(shí)提供較高效率,消耗較少電能,需要較少的散熱,在底板/基板中溫度上升的幅度較少?