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)計人員關(guān)注的焦點?標準的半磚封裝的電源適配器產(chǎn)品可以提供高達60A的電流,標準的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%?

      在性能方面的這個巨大進展之所以能夠?qū)崿F(xiàn),是因為出現(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)計中使用的二極管整流器?由于這個重大變化,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

      雖然這個進展對產(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,這是因為它的設(shè)計很復(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變換器為了達到安全工作溫度而采取的內(nèi)部設(shè)計規(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的方向?電源適配器模塊的輸入電壓及負載的要求?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)計人員可控制的一個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

     與標準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)點如表6-14所示

 高效率電源適配器模塊的優(yōu)點高效率的優(yōu)點

    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)計人員帶長等來以下的優(yōu)點和好處,優(yōu)點如表6-15所示?

（2）電源適配器模塊的設(shè)計規(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)計規(guī)則來比較故障率的數(shù)字?根據(jù)設(shè)計準則,其中一條設(shè)計規(guī)則顯示組件在65℃以上的環(huán)境下工作時,溫度每上升10℃,故障率便增加一倍?這個常用的規(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)?實際上,不同的設(shè)計條件會對模塊的整體性能及可靠性造成影響根據(jù)另一個設(shè)計規(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?按照這個設(shè)計規(guī)則保持結(jié)溫處于較低水平,將可大大地提高整個系統(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)部標準進行測試?而這些標準往往受到現(xiàn)有的測試設(shè)備?測試費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)計人員應(yīng)當(dāng)考慮到這些內(nèi)部測試的結(jié)果對設(shè)計帶來的影響?

     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,這與漏斗式風(fēng)洞不同?漏斗式風(fēng)洞強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  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)定的時間越長,測量的結(jié)果越準確?基于這個方法,測量結(jié)果足以保證溫度的穩(wěn)定性,雖然實際測試的時間會長一些,而準確性是預(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行個別比較確定熱性能的另一個方法就是利用發(fā)熱圖像,即使用紅外攝影機來測量溫度?這對于確定正確溫度非常有效,設(shè)計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)計的一個關(guān)鍵?其中,在比較DC/DC變換器的可靠性指針時,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(無故障平均時間的計算是非常有意義的,但由于受到機柜內(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)計中選用的DC/DC電源適配器模塊必須能夠在溫度上升時提供較高效率,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?