电源模块可靠性设计

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电源模块可靠性设计

电源作为电路系统的“心脏”，其重要性是显而易见的。在选择电源模块时，除了要考虑输入电压范围、额定功率、隔离耐压、效率、纹波&噪声等性能特性外，还需针对其高低温性能和降额设计进行可靠性测试。，高功率密度电源模块的可靠性差别很大，这是因为电源模块设计的技术参数、器件承受过载电压和过载电流的能力和功耗不同，所以在系统电源设计中必须面对的一个主要问题就是可靠性。许多采用分布式电源适配器架构的应用需要运行多年，很少停运。电气系统和器件的故障率遵循浴缸曲线的形状，如图所示。这个曲线从一种状态到另一种状态陡峭的过渡取决于所使用器件的选择、这些器件的额定值及其与模块中其他器件的兼容性。例如，在输入电压为20V的DC/DC电源模块中，使用一个30V的MOSFET是可以接受的，只要精心选择驱动器、肖特基二极管和缓冲电路即可。

图生命周期故障率
电源模块中的热疲劳现象是由电源转换效率低下和浪费有限的可用空间造成的，最终会增加温度上升速率，并因此缩短产品的使用寿命。为了尽量减少温度对平均无故障时间（MTBF）的影响，在系统电源设计中应考虑散热问题、有效气流及基于模块功率损耗的降额曲线。
另外一个导致电源模块重大故障的现象是由焊点裂纹造成的“温度跑道”，一般在不同的使用领域，对电源模块的工作温度范围要求各异：

高低温测试是用来确定产品在低温、高温两个极端气候环境条件下的适应性和一致性，检查设计余量是否足够。如果电源模块受到机械振动或多次温度循环冲击，裂纹可能在焊点中逐步展开，最终可能使器件脱离基板，导致电阻增加，反过来又增加温度应力，不断重复，直至循环达到线剪切模式并导致灾难性的故障。值得注意的是，虽然高效率有助于降低热功耗，但并不等于说可靠性也相应地提高。为了确保产品具有最好的性能，在系统电源适配器设计中必须掌握影响电源模块可靠性的因素：
①电源适配器的工作温度;可靠性高的电源模块必须保证在高低温等极端条件下工作正常，满足性能参数要求。
②DC/DC变换器供货商为了达到安全工作温度的设计规则;
③DC/DC变换器的性能，特别是半导体器件的性能;
④系统中的气流及其在电源模块上流动的方向;
⑤电源模块对输入电压及负载的要求;
⑥系统需要的供电及环境温度的变化状况。

所有这些因素都影响电源模块的可靠性，在电源适配器设计中可控制的一个最重要因素是电源模块的温度。例如，爱立信所有高功率产品的外壳或底板都设计成可在高温度下工作，以满足专用产品的需求，达到电信及信息技术市场的需要。只要在规定的温度范围内工作，电源模块将可与所有低于其最高温度工作的器件一起发挥安全、可靠的功能。

电源模块是电源适配器的发展趋势
随着电源技术的发展，使电源适配器实现模块化成为可能。与电源模块相关的技术包括集成电路制造、封装，高频功率变换、数字化控制、全谐振高频软开关、同步整流、智能化控制、电磁兼容、功率因数校正、电源保护控制、并联均流控制、脉宽调制等技术。随着半导体工艺和封装技术的改进，高频软开关技术的大量应用，电源模块的功率密度越来越高，电源模块的功率变换效率也越来越高，体积越来越小，出现了芯片级的电源模块。当今，电源模块设计面临的挑战是：
①降低功率开关管的开关损耗，最大限度地降低磁性元器件的功率损耗，如开关变压器的磁心损耗、近场效应损耗、线圈损耗和涡流损耗等。
②电源模块功率密度的提高。
随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用,模块电源功率密度越来越大,转换效率越来越高,应用也越来越简单。提高电源模块产品的功率密度可以从以下三个方面入手：
a.采用先进的电路拓扑和功率变换技术，提高电源模块产品的工作效率，降低电源模块产品的损耗。
b.减小电源模块产品的各部件体积并采用紧凑型工艺结构。
c.改进电源模块产品的热设计，在高功率密度条件下，电源模块产品能很好地散热。
③低电压、大电流输出。
④更复杂的电源适配器管理需求：电源的排序/跟踪、输出电压范围、电源的监控及系统电源的故障监测、响应和保护等。
⑤降低模块电源适配器系统的造价。
⑥更快的控制环路响应。
⑦最大限度地降低磁性元器件的功率损耗（例如，开关变压器的磁芯损耗、近场效应损耗、线圈损耗和涡流损耗等）

在铁路、医疗、军工等领域，需求越来越大，因为涉及到公共交通、人身安全等问题，首先考虑是模块的高可靠性、工作安全性等要求。电源模块必须在剧烈震动或恶劣的环境下仍然能够长期正常工作，不容许有任何出错。这对国内电源模块厂家的技术开发及生产工艺是一个挑战，不管是开发还是生产线都要非常可靠。

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| 发布时间：2019.07.09 来源：电源适配器

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