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計人員關注的焦點?標準的半磚封裝的電源適配器產品可以提供高達60A的電流,標準的1/4磚封裝電源適配器產品能夠供應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實現,是因為出現了高性能的金屬氧化物半導體  場效應晶體管( MOSFET),在同步整流器中用它取代普通設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

      雖然這個進展對產業界有著巨大影響,但還有許多其他因素影響電源適配器模塊的可靠性?現 在大多數的仿真與數字集成電路是非常可靠的,大多數設備制造商都使用由相同供貨商提供  類似的組件?但現在的高功率密度變換器的可靠性差別很大,這是因為它的設計很復雜,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,雖然高效率協助降低了熱功耗,這并不等于說可靠性也相應地提高?為了確保產品具有最好的性能表現,設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部設計規則?DC/DC組件的技術特性和等級?系統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?系統設計人員可控制的一個最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點如表6-14所示

 高效率電源適配器模塊的優點高效率的優點

    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?有底板產品為設計人員帶長等來以下的優點和好處,優點如表6-15所示?

（2）電源適配器模塊的設計規則

    眾所周知,大多數電子系統的可靠性都受溫度影響?人們通常使用設計規則來比較故障率的數字?根據設計準則,其中一條設計規則顯示組件在65℃以上的環境下工作時,溫度每上升10℃,故障率便增加一倍?這個常用的規則是基于以下的假定:用作比較的產品是用類似的設計和制造原理制作的,而組件是在相近的條件下工作(例如,在指定的外圍環境下,芯片的溫度也相同)?實際上,不同的設計條件會對模塊的整體性能及可靠性造成影響根據另一個設計規則,如果組件是在其額定最高結溫(T=x)的70%~80%下工作,將享有很高的可靠性?對半導體來說,Tm通常保證為+150℃或+175℃?根據這些數字,半導體器件的結溫應該分別維持在低于+120℃和+135℃的水平?按照這個設計規則保持結溫處于較低水平,將可大大地提高整個系統的可靠性?

（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?這些測試通常用風洞系統協助進行,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部標準進行測試?而這些標準往往受到現有的測試設備?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,設計人員應當考慮到這些內部測試的結果對設計帶來的影響?

     風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洞的不同位置,這些都會影響測試結果?若氣流系統龐大,足以讓氣流在模塊的四周流動,這與漏斗式風洞不同?漏斗式風洞強迫空氣直接吹到模塊上面?由于大多數的應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將可得到最穩健的結果?

  氣流的測量也是很重要的?應利用熱線風速表直接測量模塊前的氣流,以保證流量的準  確度?氣流系統利用層流,是比較保守穩健的方法,會獲得較佳的測試結果?降額曲線是根據在最壞的方向進行,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,溫度穩定的時間越長,測量的結果越準確?基于這個方法,測量結果足以保證溫度的穩定性,雖然實際測試的時間會長一些,而準確性是預備熱降額曲線最重要的環?為了確保對系統運作及可靠性起著關鍵作用的組件獲得最佳性能,在特殊應用的系統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,設計人員必須要深入研究有關模塊的方向?氣流的類型?穩定時間有多長等?比較熱數據的最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設計的一個關鍵?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,但由于受到機柜內其他組件所產生熱量的影響,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最高效率,消耗最少電能,需要最少的散熱,在底板/基板中溫度上升的幅度最少?