電源模塊可靠性設計

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電源模塊可靠性設計

電源作為電路系統的“心臟”，其重要性是顯而易見的。在選擇電源模塊時，除了要考慮輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波&噪聲等性能特性外，還需針對其高低溫性能和降額設計進行可靠性測試。，高功率密度電源模塊的可靠性差別很大，這是因為電源模塊設計的技術參數、器件承受過載電壓和過載電流的能力和功耗不同，所以在系統電源設計中必須面對的一個主要問題就是可靠性。許多采用分布式電源適配器架構的應用需要運行多年，很少停運。電氣系統和器件的故障率遵循浴缸曲線的形狀，如圖所示。這個曲線從一種狀態到另一種狀態陡峭的過渡取決于所使用器件的選擇、這些器件的額定值及其與模塊中其他器件的兼容性。例如，在輸入電壓為20V的DC/DC電源模塊中，使用一個30V的MOSFET是可以接受的，只要精心選擇驅動器、肖特基二極管和緩沖電路即可。

圖生命周期故障率
電源模塊中的熱疲勞現象是由電源轉換效率低下和浪費有限的可用空間造成的，后面會增加溫度上升速率，并因此縮短產品的使用壽命。為了盡量減少溫度對平均無故障時間（MTBF）的影響，在系統電源設計中應考慮散熱問題、有效氣流及基于模塊功率損耗的降額曲線。
另外一個導致電源模塊重大故障的現象是由焊點裂紋造成的“溫度跑道”，一般在不同的使用領域，對電源模塊的工作溫度范圍要求各異：

高低溫測試是用來確定產品在低溫、高溫兩個極端氣候環境條件下的適應性和一致性，檢查設計余量是否足夠。如果電源模塊受到機械振動或多次溫度循環沖擊，裂紋可能在焊點中逐步展開，后面可能使器件脫離基板，導致電阻增加，反過來又增加溫度應力，不斷重復，直至循環達到線剪切模式并導致災難性的故障。值得注意的是，雖然高效率有助于降低熱功耗，但并不等于說可靠性也相應地提高。為了確保產品具有較好的性能，在系統電源適配器設計中必須掌握影響電源模塊可靠性的因素：
①電源適配器的工作溫度;可靠性高的電源模塊必須保證在高低溫等極端條件下工作正常，滿足性能參數要求。
②DC/DC變換器供貨商為了達到安全工作溫度的設計規則;
③DC/DC變換器的性能，特別是半導體器件的性能;
④系統中的氣流及其在電源模塊上流動的方向;
⑤電源模塊對輸入電壓及負載的要求;
⑥系統需要的供電及環境溫度的變化狀況。

所有這些因素都影響電源模塊的可靠性，在電源適配器設計中可控制的一個重要因素是電源模塊的溫度。例如，愛立信所有高功率產品的外殼或底板都設計成可在高溫度下工作，以滿足專用產品的需求，達到電信及信息技術市場的需要。只要在規定的溫度范圍內工作，電源模塊將可與所有低于其較高溫度工作的器件一起發揮安全、可靠的功能。

電源模塊是電源適配器的發展趨勢
隨著電源技術的發展，使電源適配器實現模塊化成為可能。與電源模塊相關的技術包括集成電路制造、封裝，高頻功率變換、數字化控制、全諧振高頻軟開關、同步整流、智能化控制、電磁兼容、功率因數校正、電源保護控制、并聯均流控制、脈寬調制等技術。隨著半導體工藝和封裝技術的改進，高頻軟開關技術的大量應用，電源模塊的功率密度越來越高，電源模塊的功率變換效率也越來越高，體積越來越小，出現了芯片級的電源模塊。當今，電源模塊設計面臨的挑戰是：
①降低功率開關管的開關損耗，較大限度地降低磁性元器件的功率損耗，如開關變壓器的磁心損耗、近場效應損耗、線圈損耗和渦流損耗等。
②電源模塊功率密度的提高。
隨著半導體工藝、封裝技術和高頻軟開關的大量使用,模塊電源功率密度越來越大,轉換效率越來越高,應用也越來越簡單。提高電源模塊產品的功率密度可以從以下三個方面入手：
a.采用的電路拓撲和功率變換技術，提高電源模塊產品的工作效率，降低電源模塊產品的損耗。
b.減小電源模塊產品的各部件體積并采用緊湊型工藝結構。
c.改進電源模塊產品的熱設計，在高功率密度條件下，電源模塊產品能很好地散熱。
③低電壓、大電流輸出。
④更復雜的電源適配器管理需求：電源的排序/跟蹤、輸出電壓范圍、電源的監控及系統電源的故障監測、響應和保護等。
⑤降低模塊電源適配器系統的造價。
⑥更快的控制環路響應。
⑦較大限度地降低磁性元器件的功率損耗（例如，開關變壓器的磁芯損耗、近場效應損耗、線圈損耗和渦流損耗等）

在鐵路、醫療、軍工等領域，需求越來越大，因為涉及到公共交通、人身安全等問題，首先考慮是模塊的高可靠性、工作安全性等要求。電源模塊必須在劇烈震動或惡劣的環境下仍然能夠長期正常工作，不容許有任何出錯。這對國內電源模塊廠家的技術開發及生產工藝是一個挑戰，不管是開發還是生產線都要非常可靠。

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| 發布時間：2019.07.09 來源：電源適配器

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