如果你是個(gè)直流開(kāi)關(guān)電源工程師，關(guān)于直流開(kāi)關(guān)電源模塊的簡(jiǎn)介就不必看了。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。
直流開(kāi)關(guān)電源模塊是能夠直接貼裝在印刷電路板上的直流開(kāi)關(guān)電源供給器 (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(mén)陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載供給供電。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)模塊稱為負(fù)載點(diǎn) (POL) 直流開(kāi)關(guān)電源供給體系或運(yùn)用點(diǎn)直流開(kāi)關(guān)電源供給體系 (PUPS)。因?yàn)槟K式結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)處甚多，因而高性能電信、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)及數(shù)據(jù)通信等體系都廣泛選用各種模塊。盡管選用模塊有許多長(zhǎng)處，但工程師規(guī)劃直流開(kāi)關(guān)電源模塊致使大部分板上直流/直流變換器時(shí)，往往疏忽牢靠性及丈量方面的問(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，直流開(kāi)關(guān)電源供給器
選用直流開(kāi)關(guān)電源模塊的長(zhǎng)處
現(xiàn)在不同的供給商在商場(chǎng)上推出多種不同的直流開(kāi)關(guān)電源模塊，而不同產(chǎn)品的輸入電壓、輸出功率、功用及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都各不相同。選用直流開(kāi)關(guān)電源模塊能夠節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)刻，使產(chǎn)品能夠更快推出商場(chǎng)，因而直流開(kāi)關(guān)電源模塊比集成式的解決方案優(yōu)勝。直流開(kāi)關(guān)電源模塊還有以下多個(gè)長(zhǎng)處：“
● 每一模塊能夠分別加以嚴(yán)厲測(cè)驗(yàn)，以確保其高度牢靠，其間包含通電 測(cè)驗(yàn)，以便除掉不合規(guī)格的產(chǎn)品。相較之下，集成式的解決方案便較難測(cè)驗(yàn)，因?yàn)檎麄€(gè)供電體系與電路上的其他功用體系緊密聯(lián)絡(luò)一同。
● 不同的供給商能夠依照現(xiàn)有的技能規(guī)范規(guī)劃同一巨細(xì)的模塊，為規(guī)劃直流開(kāi)關(guān)電源供給器的工程師供給多種不同的挑選。
● 每一模塊的規(guī)劃及測(cè)驗(yàn)都依照規(guī)范性能的規(guī)則進(jìn)行，有助削減選用新技能所接受的危險(xiǎn)。
● 若選用集成式的解決方案，一旦直流開(kāi)關(guān)電源供給體系呈現(xiàn)問(wèn)題，便需求將整塊主機(jī)板替換；若選用模塊式的規(guī)劃，只需將問(wèn)題模塊替換便可，這樣有助節(jié)約本錢(qián)及開(kāi)發(fā)時(shí)刻。
容易被疏忽的直流開(kāi)關(guān)電源模塊規(guī)劃問(wèn)題
盡管選用模塊式的規(guī)劃有以上的多個(gè)長(zhǎng)處，但模塊式規(guī)劃致使板上直流/直流變換器規(guī)劃也有自身的問(wèn)題，許多人對(duì)這些問(wèn)題知道缺乏，或不給予滿足的注重。以下是其間的部分問(wèn)題：
● 輸出噪音的丈量；
● 磁力體系的規(guī)劃；
● 同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象；
● 印刷電路板的牢靠性。
這些問(wèn)題會(huì)將鄙人文中逐個(gè)加以評(píng)論，一同還會(huì)介紹多種可解決這些問(wèn)題的簡(jiǎn)略技能。
輸出噪音的丈量技能
一切選用開(kāi)關(guān)形式的直流開(kāi)關(guān)電源供給器都會(huì)輸出噪音。開(kāi)關(guān)頻率越高，便越需求選用正確的丈量技能，以確保所丈量的數(shù)據(jù)精確牢靠。丈量輸出噪音及其他重要數(shù)據(jù)時(shí)，能夠選用圖2所示的 Tektronix 探針探頭 (一般稱為冷噴嘴探頭)，以確保丈量數(shù)字精確牢靠，并且契合猜測(cè)。這種丈量技能也確保接地環(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)我們也要將丈量外表可能會(huì)呈現(xiàn)傳達(dá)推遲這個(gè)要素核算在內(nèi)。大部分電流探頭的傳達(dá)推遲都大于電壓探頭。因而有必要一同顯示電壓及電流波形的丈量便無(wú)法確保丈量數(shù)字的精確度，除非運(yùn)用人手將不同的推遲加以均衡。
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。關(guān)于高頻的電路規(guī)劃來(lái)說(shuō)，因?yàn)殡娐房山邮艿碾姼胁荒艹^(guò)1mH，因而，經(jīng)由探頭輸入的電感會(huì)影響 di/dt 電流丈量的精確性，乃至令丈量數(shù)字呈現(xiàn)很大的誤差。若電感器已飽滿，則可選用另一更為精確的方法丈量電流量，例如，我們能夠丈量與電感器串行一同的小型分路電阻的電壓。
磁學(xué)的規(guī)劃
磁心是否牢靠是另一個(gè)常常被人疏忽的問(wèn)題。大部分輸出電感器都選用鐵粉磁心，因?yàn)殍F粉是本錢(qián)最低的物料。鐵粉磁心的成份之中大約有 95% 屬純鐵粒，而這些鐵粉粒運(yùn)用有機(jī)膠合劑粘合一同。這些膠合劑也將每一鐵粉粒分隔，使磁心表里滿布透氣空間。
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)影響磁心的牢靠性，影響程度視乎所含雜質(zhì)的數(shù)量。我們能夠運(yùn)用光譜電子顯微鏡 (SEM) 細(xì)心查看磁心的截面，以便斷定雜質(zhì)的相對(duì)散布狀況。磁心是否牢靠，關(guān)鍵在于材料是否能夠猜測(cè)以及其供給是否安穩(wěn)牢靠。
若鐵粉磁心長(zhǎng)時(shí)刻處于高溫環(huán)境之中，磁心損耗可能會(huì)添加，并且損耗一旦增多，便永遠(yuǎn)無(wú)法復(fù)原，因?yàn)橛袡C(jī)膠合劑呈現(xiàn)份子分解，令渦流損耗添加。這種現(xiàn)象可稱為熱老化，最終可能會(huì)引致磁心呈現(xiàn)熱失控。
磁心損耗的巨細(xì)受交流電通量密度、操作頻率、磁心巨細(xì)及物料類(lèi)別等多個(gè)不同要素影響。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，致使功率也會(huì)受影響而跌落。發(fā)生渦流損耗的原因是以鐵磁物質(zhì)形成的物體受不一同刻的不同磁通影響令物體內(nèi)發(fā)生循環(huán)不息的電流。我們只需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 就是這樣的一種磁心。其他的鐵磁產(chǎn)品供給商如 Magnetics 也出產(chǎn)以磁帶繞成的磁心。
Micrometals 等磁心產(chǎn)品供給商特別為規(guī)劃磁性產(chǎn)品的工程師供給有關(guān)磁心受熱老化的最新資料及核算方法。選用無(wú)機(jī)膠合劑的鐵粉磁心不會(huì)有受熱老化的狀況呈現(xiàn)。商場(chǎng)上已有這類(lèi)磁心出售，Micrometals 的 200C 系列磁心便歸于這類(lèi)產(chǎn)品。
同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象
負(fù)載點(diǎn)直流開(kāi)關(guān)電源供給體系 (POL) 或運(yùn)用點(diǎn)直流開(kāi)關(guān)電源供給體系 (PUPS) 等供電體系都廣泛選用同步降壓變換器 (圖3)。這種同步降壓變換器選用高端及低端的 MOSFET 替代傳統(tǒng)降壓變換器的箝位二極管，以便下降負(fù)載電流的損耗。
圖3，直流開(kāi)關(guān)電源同步降壓變換器
工程師規(guī)劃降壓變換器時(shí)常常忽視“擊穿”的問(wèn)題。每逢高端及低端 MOSFET 一同全面或部分發(fā)動(dòng)時(shí)，便會(huì)呈現(xiàn)“擊穿”的現(xiàn)象，使輸入電壓能夠?qū)㈦娏髦苯虞斔偷浇拥亍！ ?/span>
擊穿現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電流在開(kāi)關(guān)的一會(huì)兒呈現(xiàn)尖峰，令變換器無(wú)法發(fā)揮其最高的功率。我們不行選用電流探頭丈量擊穿的狀況，因?yàn)樘筋^的電感會(huì)嚴(yán)峻攪擾電路的操作。我們能夠查看兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的門(mén)極/源極電壓，看看是否有尖峰呈現(xiàn)。這是另一個(gè)檢測(cè)擊穿現(xiàn)象的方法。(上層 MOSFET 的門(mén)極/源極電壓能夠運(yùn)用差分方法加以監(jiān)測(cè)。)
我們能夠運(yùn)用以下的方法削減擊穿現(xiàn)象的呈現(xiàn)。
選用設(shè)有“固定死區(qū)時(shí)刻”的控制器芯片是其間一個(gè)可行的方法。這種控制器芯片能夠確保上層 MOSFET 封閉之后會(huì)呈現(xiàn)一段推遲時(shí)刻，才讓下層 MOSFET 重新發(fā)動(dòng)。這個(gè)方法較為簡(jiǎn)略，但真實(shí)實(shí)行時(shí)則要很當(dāng)心。若死區(qū)時(shí)刻太短，可能無(wú)法阻撓擊穿現(xiàn)象的呈現(xiàn)。若死區(qū)時(shí)刻太長(zhǎng)，電導(dǎo)損耗便會(huì)添加，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)刻內(nèi)一直在發(fā)動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)二極管會(huì)在死區(qū)時(shí)刻內(nèi)導(dǎo)電，因而選用這個(gè)方法的體系功率便取決于底層 MOSFET 的內(nèi)置二極管的特性。
另一個(gè)削減擊穿的方法是選用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時(shí)刻”的控制器芯片。這個(gè)方法的長(zhǎng)處是能夠不斷監(jiān)測(cè)上層 MOSFET 的門(mén)極/源極電壓，以便斷定何時(shí)才發(fā)動(dòng)底層 MOSFET。
高端 MOSFET 發(fā)動(dòng)時(shí)，會(huì)通過(guò)電感感應(yīng)令低端 MOSFET 的門(mén)極呈現(xiàn) dv/dt 尖峰，致使推高門(mén)極電壓 (圖4)。若門(mén)極/源極電壓高至足以將之發(fā)動(dòng)，擊穿現(xiàn)象便會(huì)呈現(xiàn)。
圖4，直流開(kāi)關(guān)電源呈現(xiàn)在低端MOSFET的dv/dt感生電平振幅
自適應(yīng)死區(qū)時(shí)刻控制器擔(dān)任在外面監(jiān)測(cè) MOSFET 的門(mén)極電壓。因而，任何新加的外置門(mén)極電阻會(huì)分去控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓，致使門(mén)極電壓實(shí)際上會(huì)比控制器監(jiān)控的電壓高。
猜測(cè)性門(mén)極驅(qū)動(dòng)是另一個(gè)可行的方案，方法是運(yùn)用數(shù)字反應(yīng)電路檢測(cè)內(nèi)置二極管的導(dǎo)電狀況以及調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)刻推遲，以便將內(nèi)置二極管的導(dǎo)電減至最少，確保體系能夠發(fā)揮最高的功率。若選用這個(gè)方法，控制器芯片需求添加更多引腳，致使芯片及直流開(kāi)關(guān)電源模塊的本錢(qián)會(huì)添加。
有一點(diǎn)需求留意，即便選用猜測(cè)性門(mén)極驅(qū)動(dòng)，也無(wú)法確保場(chǎng)效應(yīng)晶體管不會(huì)因?yàn)?dv/dt 的電感感應(yīng)而發(fā)動(dòng)。
推遲高端 MOSFET 的發(fā)動(dòng)也有助削減擊穿狀況呈現(xiàn)。盡管這個(gè)方法能夠削減或完全消除擊穿現(xiàn)象，但缺陷是開(kāi)關(guān)損耗較高，而功率也會(huì)下降。我們?nèi)暨x用較好的 MOSFET，也有助縮小呈現(xiàn)在底層 MOSFET 門(mén)極的 dv/dt 電感電壓振幅。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高，在 MOSFET 門(mén)極上呈現(xiàn)的電感電壓便越低。
擊穿的測(cè)驗(yàn)狀況常常被人疏忽，例如在負(fù)載瞬態(tài)進(jìn)程中——尤其是每逢負(fù)載已免除或突然削減時(shí)——控制器會(huì)不斷發(fā)生窄頻脈沖。現(xiàn)在大部分高電流體系都選用多相位規(guī)劃，運(yùn)用驅(qū)動(dòng)器芯片驅(qū)動(dòng) MOSFET。但選用驅(qū)動(dòng)器芯片會(huì)令擊穿問(wèn)題更為雜亂，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)進(jìn)程之中。例如，窄頻驅(qū)動(dòng)脈沖的攪擾，再加上驅(qū)動(dòng)器呈現(xiàn)傳達(dá)推遲，都會(huì)導(dǎo)致?lián)舸顩r的呈現(xiàn)。
大部分驅(qū)動(dòng)器芯片出產(chǎn)商都特別規(guī)則控制器的脈沖寬度有必要不行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(mén)極。
此外，出產(chǎn)商也為驅(qū)動(dòng)器芯片別的加設(shè)可設(shè)定死區(qū)時(shí)刻 (TRT) 的功用，以增強(qiáng)自適應(yīng)變換守時(shí)的精確性。方法是在可設(shè)定死區(qū)時(shí)刻引腳與接地之間加設(shè)一個(gè)可用以設(shè)定死區(qū)時(shí)刻的電阻，以斷定高低端變換進(jìn)程中的死區(qū)時(shí)刻。這個(gè)死區(qū)時(shí)刻設(shè)定功用加上傳達(dá)推遲可將處于變換進(jìn)程中的互補(bǔ)性 MOSFET 封閉，避免同步降壓變換器呈現(xiàn)擊穿狀況。
牢靠性
任何模塊都有必要在前期階段通過(guò)嚴(yán)厲的測(cè)驗(yàn)，以確保規(guī)劃完善牢靠，避免在出產(chǎn)進(jìn)程中的最終階段才呈現(xiàn)意想不到的問(wèn)題。有關(guān)模塊有必要能夠在客戶的體系之中進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，以確保一切有可能導(dǎo)致體系呈現(xiàn)毛病的相關(guān)要素，例如散熱扇毛病、散熱扇間歇性中止等問(wèn)題都能給予充沛的考慮。選用渙散式結(jié)構(gòu)的工程師都期望所規(guī)劃的體系能夠接連運(yùn)用許多年而很少或乃至不會(huì)呈現(xiàn)毛病。因?yàn)闇y(cè)驗(yàn)數(shù)字顯示直流開(kāi)關(guān)電源模塊的 MTBF 高達(dá)幾百萬(wàn)小時(shí)，要到達(dá)這個(gè)方針并不怎樣困難。
但常常被人疏忽的反而是印刷電路板的牢靠性問(wèn)題。照現(xiàn)在的趨勢(shì)看，印刷電路板的面積越縮越小，但需求處理的電流量則越來(lái)越大，因而電流密度的添加可能會(huì)引致蔭蔽式或其他通孔無(wú)法執(zhí)行正常功用。
印刷電路板有部分蔭蔽通孔有必要傳送很多電流，關(guān)于這些蔭蔽通孔來(lái)說(shuō)，其周?chē)斜匾袧M足的銅造防護(hù)設(shè)備為其供給保護(hù)，以確保規(guī)劃更牢靠經(jīng)用。這種防護(hù)設(shè)備也可抑制 z 軸的受熱脹大幅度，若非如此，出產(chǎn)進(jìn)程中以及產(chǎn)品運(yùn)用時(shí)印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么改變，蔭蔽通孔便會(huì)外露。工程師有必要參考印刷電路板廠商的專業(yè)定見(jiàn)，完全復(fù)檢印刷電路板的規(guī)劃，而印刷電路板廠商能夠依據(jù)他們的出產(chǎn)能力供給有關(guān)印刷電路板規(guī)劃牢靠性的專業(yè)定見(jiàn)。
總結(jié)
我們?nèi)粢\(yùn)用直流開(kāi)關(guān)電源模塊組成牢靠的直流開(kāi)關(guān)電源供給體系，便有必要解決規(guī)劃牢靠性的問(wèn)題。上文會(huì)集評(píng)論幾個(gè)首要問(wèn)題，其間包含鐵粉磁心的牢靠性、磁體系的特性、同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象以及高電流體系印刷電路板的牢靠性等問(wèn)題。
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