电源适配器模块的可靠性

      提高DC/DC变换器的效率,从而改善热性能,提高可靠性及降低成本,一直是电源适配器设计人员关注的焦点｡标准的半砖封装的电源适配器产品可以提供高达60A的电流,标准的1/4砖封装电源适配器产品能够供应30A的电流,效率超过90%｡

      在性能方面的这个巨大进展之所以能够实现,是因为出现了高性能的金属氧化物半导体  场效应晶体管( MOSFET),在同步整流器中用它取代普通设计中使用的二极管整流器｡由于这个重大变化,与前一代的产品相比,可以把高效率DC/DC变换器的功率密度增大一倍

      虽然这个进展对产业界有着巨大影响,但还有许多其他因素影响电源适配器模块的可靠性｡现 在大多数的仿真与数字集成电路是非常可靠的,大多数设备制造商都使用由相同供货商提供  类似的组件｡但现在的高功率密度变换器的可靠性差别很大,这是因为它的设计很复杂,组件承受过载电压和过载电流的能力和功耗不同｡值得注意的是,虽然高效率协助降低了热功耗,这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表现,设计人员必须掌握那些影响电源适配器模块可靠性的因素,包括系统的工作温度､DC/DC变换器为了达到安全工作温度而采取的内部设计规则､DC/DC组件的技术特性和等级､系统中的气流及其在电源适配器模块上流动的方向､电源适配器模块的输入电压及负载的要求､系统需要的供电及温度变化状况

       所有这些因素都影响电源适配器模块的可靠性｡系统设计人员可控制的一个最重要因素是电源适配器  模块的温度｡

  (1)高效率电源适配器模块的优点

     与标准效率的电源适配器模块相比,高效率电源适配器模块的优点如表6-14所示

 高效率电源适配器模块的优点高效率的优点

    高效率电源适配器模块有两种:一种是有底板的,一种是没有底板的｡有底板产品为设计人员带长等来以下的优点和好处,优点如表6-15所示｡

（2）电源适配器模块的设计规则

    众所周知,大多数电子系统的可靠性都受温度影响｡人们通常使用设计规则来比较故障率的数字｡根据设计准则,其中一条设计规则显示组件在65℃以上的环境下工作时,温度每上升10℃,故障率便增加一倍｡这个常用的规则是基于以下的假定:用作比较的产品是用类似的设计和制造原理制作的,而组件是在相近的条件下工作(例如,在指定的外围环境下,芯片的温度也相同)｡实际上,不同的设计条件会对模块的整体性能及可靠性造成影响根据另一个设计规则,如果组件是在其额定最高结温(T=x)的70%~80%下工作,将享有很高的可靠性｡对半导体来说,Tm通常保证为+150℃或+175℃｡根据这些数字,半导体器件的结温应该分别维持在低于+120℃和+135℃的水平｡按照这个设计规则保持结温处于较低水平,将可大大地提高整个系统的可靠性｡

（3）电源适配器确定热性能

     电源适配器制造商通过内部测试为DC/DC变换器制定了热指针或者降额曲线｡这些测试通常用风洞系统协助进行,以确定在不同对流条件下电源适配器模块的热性能｡因DC/DC变换器制造商都是按照自己的内部标准进行测试｡而这些标准往往受到现有的测试设备､测试费用以及许多其他因素所影响｡这些变量意味着DC/DC变换器的降额曲线会造成误导,设计人员应当考虑到这些内部测试的结果对设计带来的影响｡

     风洞有多种不同的形状和尺寸,加上电源适配器模块可以放置在风洞的不同位置,这些都会影响测试结果｡若气流系统庞大,足以让气流在模块的四周流动,这与漏斗式风洞不同｡漏斗式风洞强迫空气直接吹到模块上面｡由于大多数的应用并不是采用漏斗式或强迫式气流,因此非漏斗式测试程序将可得到最稳健的结果｡

  气流的测量也是很重要的｡应利用热线风速表直接测量模块前的气流,以保证流量的准  确度｡气流系统利用层流,是比较保守稳健的方法,会获得较佳的测试结果｡降额曲线是根据在最坏的方向进行,确保在任何方向下电源适配器模块操作都不受影响｡

       在测试过程中,温度稳定的时间越长,测量的结果越准确｡基于这个方法,测量结果足以保证温度的稳定性,虽然实际测试的时间会长一些,而准确性是预备热降额曲线最重要的环｡为了确保对系统运作及可靠性起着关键作用的组件获得最佳性能,在特殊应用的系统中要对模块的测试进行个别比较确定热性能的另一个方法就是利用发热图像,即使用红外摄影机来测量温度｡这对于确定正确温度非常有效,设计人员必须要深入研究有关模块的方向､气流的类型､稳定时间有多长等｡比较热数据的最佳方法是将不同的模块并排起来作红外扫描(包括不同方向和测试板)｡

       可靠性是电源适配器系统设计的一个关键｡其中,在比较DC/DC变换器的可靠性指针时,首先要明了这些指针是在什么假定和情况下得到的｡可靠性与热性能及工作温度的关系十分密切｡工作温度每上升10℃,故障率就增大一倍｡在典型的系统中,MTBF(无故障平均时间的计算是非常有意义的,但由于受到机柜内其他组件所产生热量的影响,电源适配器模块附近空气的温度一般在55℃左右｡这就需要在设计中选用的DC/DC电源适配器模块必须能够在温度上升时提供最高效率,消耗最少电能,需要最少的散热,在底板/基板中温度上升的幅度最少｡