紀(jì)客老白丨如何成功設(shè)計電源模塊？

─ by 白紀(jì)龍

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(見圖1)，其特點是可為專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負(fù)載點(POL)電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng)(PUP)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多，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，但工程師設(shè)計電源模塊以至大部分板上直流/直流轉(zhuǎn)換器時，往往忽略可靠性及測量方面的問題。本文將深入探討這些問題，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)點目前不同的供應(yīng)商在市場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)省開發(fā)時間，使產(chǎn)品可以更快推出市場，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優(yōu)點：● 每一模塊可以分別加以嚴(yán)格測試，以確保其高度可靠，其中包括通電 測試，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試，因為整個供電系統(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)計同一大小的模塊，為設(shè)計電源供應(yīng)器的工程師提供多種不同的選擇?！?每一模塊的設(shè)計及測試都按照標(biāo)準(zhǔn)性能的規(guī)定進行，有助減少采用新技術(shù)所承受的風(fēng)險。● 若采用集成式的解決方案，一旦電源供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，便需要將整塊主機板更換；若采用模塊式的設(shè)計，只要將問題模塊更換便可，這樣有助節(jié)省成本及開發(fā)時間。

容易被忽略的電源模塊設(shè)計問題雖然采用模塊式的設(shè)計有以上的多個優(yōu)點，但模塊式設(shè)計以至板上直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計也有本身的問題，很多人對這些問題認(rèn)識不足，或不給予足夠的重視。以下是其中的部分問題：● 輸出噪音的測量；● 磁力系統(tǒng)的設(shè)計；● 同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象；● 印刷電路板的可靠性。這些問題會將在下文中一一加以討論，同時還會介紹多種可解決這些問題的簡單技術(shù)。輸出噪音的測量技術(shù)所有采用開關(guān)模式的電源供應(yīng)器都會輸出噪音。開關(guān)頻率越高，便越需要采用正確的測量技術(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，可以采用圖2所示的 Tektronix 探針探頭(一般稱為冷噴嘴探)，以確保測量數(shù)字準(zhǔn)確可靠，而且符合預(yù)測。這種測量技術(shù)也確保接地環(huán)路可減至最小。圖2，測量輸出噪音數(shù)字進行測量時我們也要將測量儀表可能會出現(xiàn)傳播延遲這個因素計算在內(nèi)。大部分電流探頭的傳播延遲都大于電壓探頭。因此必須同時顯示電壓及電流波形的測量便無法確保測量數(shù)字的準(zhǔn)確度，除非利用人手將不同的延遲加以均衡。電流探頭也會將電感輸入電路之內(nèi)。典型的電流探頭會輸入600nH 的電感。對于高頻的電路設(shè)計來說，由于電路可承受的電感不能超過1mH，因此，經(jīng)由探頭輸入的電感會影響di/dt電流測量的準(zhǔn)確性，甚至令測量數(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)確的方法測量電流量，例如，我們可以測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)計磁心是否可靠是另一個經(jīng)常被人忽略的問題。大部分輸出電感器都采用鐵粉磁心，因為鐵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)的相對分布情況。磁心是否可靠，關(guān)鍵在于材料是否可以預(yù)測以及其供應(yīng)是否穩(wěn)定可靠。若鐵粉磁心長期處于高溫環(huán)境之中，磁心損耗可能會增加，而且損耗一旦增多，便永遠(yuǎn)無法復(fù)原，因為有機膠合劑出現(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不同因素影響。以高頻操作為例來說，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。渦流損耗會令磁心受熱，以致效率也會受影響而下跌。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算方式。采用無機膠合劑的鐵粉磁心不會有受熱老化的情況出現(xiàn)。市場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)載點電源供應(yīng)系統(tǒng)(POL)或使用點電源供應(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)計降壓轉(zhuǎn)換器時經(jīng)常忽視“擊穿”的問題。每當(dāng)高端及低端MOSFET 同時全面或局部啟動時，便會出現(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)象會導(dǎo)致電流在開關(guān)的一瞬間出現(xiàn)尖峰，令轉(zhuǎn)換器無法發(fā)揮其最高的效率。我們不可采用電流探頭測量擊穿的情況，因為探頭的電感會嚴(yán)重干擾電路的操作。我們可以檢查兩個場效應(yīng)晶體管(FET)的門極/源極電壓，看看是否有尖峰出現(xiàn)。這是另一個檢測擊穿現(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。)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)時間”的控制器芯片是其中一個可行的辦法。這種控制器芯片可以確保上層MOSFET關(guān)閉之后會出現(xiàn)一段延遲時間，才讓下層MOSFET 重新啟動。這個方法較為簡單，但真正實行時則要很小心。若死區(qū)時間太短，可能無法阻止擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)。若死區(qū)時間太長，電導(dǎo)損耗便會增加，因為底層場效應(yīng)晶體管內(nèi)置的二極管在整段死區(qū)時間內(nèi)一直在啟動。由于這個二極管會在死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)電，因此采用這個方法的系統(tǒng)效率便取決于底層MOSFET的內(nèi)置二極管的特性。另一個減少擊穿的方法是采用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時間”的控制器芯片。這個方法的優(yōu)點是可以不斷監(jiān)測上層MOSFET的門極/源極電壓，以便確定何時才啟動底層MOSFET。高端MOSFET啟動時，會通過電感感應(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，擊穿現(xiàn)象便會出現(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)時間控制器負(fù)責(zé)在外面監(jiān)測MOSFET的門極電壓。因此，任何新加的外置門極電阻會分去控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓，以致門極電壓實際上會比控制器監(jiān)控的電壓高。預(yù)測性門極驅(qū)動是另一個可行的方案，辦法是利用數(shù)字反饋電路檢測內(nèi)置二極管的導(dǎo)電情況以及調(diào)節(jié)死區(qū)時間延遲，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增加。有一點需要注意，即使采用預(yù)測性門極驅(qū)動，也無法保證場效應(yīng)晶體管不會因為dv/dt的電感感應(yīng)而啟動。延遲高端MOSFET的啟動也有助減少擊穿情況出現(xiàn)。雖然這個方法可以減少或徹底消除擊穿現(xiàn)象，但缺點是開關(guān)損耗較高，而效率也會下降。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。擊穿的測試情況經(jīng)常被人忽略，例如在負(fù)載瞬態(tài)過程中——尤其是每當(dāng)負(fù)載已解除或突然減少時——控制器會不斷產(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，利用驅(qū)動器芯片驅(qū)動MOSFET。但采用驅(qū)動器芯片會令擊穿問題更為復(fù)雜，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)過程之中。例如，窄頻驅(qū)動脈沖的干擾，再加上驅(qū)動器出現(xiàn)傳播延遲，都會導(dǎo)致?lián)舸┣闆r的出現(xiàn)。大部分驅(qū)動器芯片生產(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，若低于這個最低要求，便不會有脈沖輸入MOSFET的門極。此外，生產(chǎn)商也為驅(qū)動器芯片另外加設(shè)可設(shè)定死區(qū)時間(TRT)的功能，以增強自適應(yīng)轉(zhuǎn)換定時的準(zhǔn)確性。辦法是在可設(shè)定死區(qū)時間引腳與接地之間加設(shè)一個可用以設(shè)定死區(qū)時間的電阻，以確定高低端轉(zhuǎn)換過程中的死區(qū)時間。這個死區(qū)時間設(shè)定功能加上傳播延遲可將處于轉(zhuǎn)換過程中的互補性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嚴(yán)格的測試，以確保設(shè)計完善可靠，以免在生產(chǎn)過程中的最后階段才出現(xiàn)意想不到的問題。有關(guān)模塊必須可以在客戶的系統(tǒng)之中進行測試，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)計的系統(tǒng)可以連續(xù)使用很多年而很少或甚至不會出現(xiàn)故障。由于測試數(shù)字顯示電源模塊的MTBF高達(dá)幾百萬小時，要達(dá)到這個目標(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題。照目前的趨勢看，印刷電路板的面積越縮越小，但需要處理的電流量則越來越大，因此電流密度的增加可能會引致隱蔽式或其他通孔無法執(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，對于這些隱蔽通孔來說，其周圍必須有足夠的銅造防護裝置為其提供保護，以確保設(shè)計更可靠耐用。這種防護裝置也可抑制z軸的受熱膨脹幅度，若非如此，生產(chǎn)過程中以及產(chǎn)品使用時印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么變化，隱蔽通孔便會外露。工程師必須參考印刷電路板廠商的專業(yè)意見，徹底復(fù)檢印刷電路板的設(shè)計，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)計可靠性的專業(yè)意見。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)計可靠性的問題。上文集中討論幾個主要問題。