電源模塊是可以直接連接到印刷電路板的電源(見圖1)。其特征在于為專用集成電路(ASIC)、數字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列(FPGA)和其他數字或模擬負載提供電源。一般來說，這種模塊被稱為負載點(POL)電源系統或使用點電源系統(PUPS)。由于模塊化結構的優勢，各種模塊被廣泛應用于高性能電信、網絡連接和數據通信系統中。雖然使用模塊有很多優勢，但工程師在設計電源模塊甚至大多數板載DC/DC轉換器時，往往會忽略可靠性和測量問題。本文將對這些問題進行深入探討，并分別提出相應的解決方案。

　　使用電源模塊的優點

　　目前市場上不同的供應商推出了各種不同的電源模塊，不同產品的輸入電壓、輸出功率、功能、拓撲都不一樣。使用電源模塊可以節省開發時間，更快地將產品推向市場，因此電源模塊優于集成解決方案。該電源模塊還具有以下優點：

　　每個模塊都可以單獨進行嚴格測試，以確保其高可靠性，包括通電測試，以消除不合格產品。相比之下，集成解決方案更難測試，因為整個電源系統與電路上的其他功能系統緊密相連。

　　不同的供應商可以根據現有的技術標準設計相同尺寸的模塊，這為設計電源的工程師提供了許多不同的選擇。

　　每個模塊都是按照標準的性能法規進行設計和測試的，有助于降低采用新技術的風險。

　　如果采用集成解決方案，一旦供電系統出現問題，需要更換整個主板；如果采用模塊化設計，則只能替換問題模塊，有助于節約成本和開發時間。

　　容易被忽視的電源模塊設計問題

　　盡管模塊化設計具有上述諸多優點，但模塊化設計甚至車載DC/DC轉換器設計也有其自身的問題。很多人對這些問題了解不夠，或者不夠重視。以下是一些問題：

　　輸出噪聲的測量；

　　磁系統設計；

　　同步降壓變換器擊穿現象；

　　印刷電路板的可靠性。

　　下面將逐一討論這些問題，還將介紹解決這些問題的各種簡單技術。

　　輸出噪聲測量技術

　　開關模式下的所有電源都會輸出噪聲。開關頻率越高，越需要采用正確的測量技術來保證測量數據的準確性和可靠性。在測量噪聲等重要數據時，可以使用圖2所示的泰克探頭(俗稱冷噴嘴探頭)，確保測量的數字準確可靠，符合預測。這種測量技術還確保接地環路可以最小化。圖2，輸出噪聲系數的測量

　　測量時，還應考慮測量儀器可能存在的傳播延遲。大多數電流探頭的傳播延遲大于電壓探頭。因此，電壓和電流波形的測量必須同時顯示，除非用手平衡不同的延遲，否則無法保證測量數字的準確性。

　　電流探頭也將電感輸入電路。典型的電流探頭將輸入600nH的電感。對于高頻電路設計，電路所能承受的電感不能超過1mH，因此通過探頭輸入的電感會影響di/dt電流測量的精度，甚至使測量數字產生較大誤差。如果電感飽和，可以使用另一種更精確的方法來測量電流。例如，我們可以測量與電感串聯的小分流電阻的電壓。

　　磁性設計

　　磁芯的可靠性是另一個經常被忽視的問題。大多數輸出電感使用鐵粉芯，因為鐵粉是成本最低的材料。鐵芯大約95%的成分是純鐵顆粒，這些鐵顆粒通過有機粘合劑粘合在一起。這些粘合劑還將每個鐵粉顆粒分開，使得磁芯的內部和外部充滿通風空間。

　　鐵粉是磁芯的原材料，但鐵粉中含有少量的錳、鉻等雜質，會影響磁芯的可靠性，影響的程度取決于所含雜質的多少。我們可以用光譜電子顯微鏡仔細檢查磁芯的橫截面，以確定雜質的相對分布。堆芯是否可靠，取決于材料能否預測，供應是否穩定可靠。

　　如果鐵粉芯長時間暴露在高溫下，鐵芯損耗可能會增加，一旦損耗增加，就永遠無法恢復，因為有機粘合劑分子分解，增加了渦流損耗。這種現象可以稱為熱老化，最終可能導致磁芯熱失控。

　　磁芯的損耗受許多不同因素的影響，如交流磁通密度、工作頻率、磁芯尺寸和材料類型。以高頻運行為例，大部分損耗是渦流損耗。如果在低頻下工作，磁滯損耗是最大的損耗。

　　渦流損耗會加熱磁芯，從而影響和降低效率。渦流損耗的原因是鐵磁材料引起的物體在不同時間受到不同磁通量的影響，使物體產生無窮的電流。只要我們選擇鐵磁體片而不是實心鐵磁體作為磁芯的材料，渦流損耗就可以降低。例如，用磁帶纏繞的金屬玻璃就是這樣一種磁芯。磁鐵等鐵磁產品的其他供應商也生產纏繞有磁帶的磁芯。

　　Micrometals等磁芯產品供應商尤其為設計磁性產品的工程師提供磁芯熱老化的最新信息和計算方法。使用無機粘合劑的鐵粉芯不會被加熱和老化。這種磁芯已經在市場上銷售，測微儀的200C系列磁芯就屬于這種產品。同步降壓變換器的擊穿現象

　　同步降壓變換器廣泛應用于點電源系統(POL)或點電源系統(PUPS)等電源系統(圖3)。這種同步降壓轉換器使用高端和低端MOSFET來代替傳統降壓轉換器的箝位二極管，以減少負載電流的損失。

　　工程師在設計降壓轉換器時，往往會忽略“擊穿”問題。每當高端MOSFET和低端MOSFET同時全部或部分啟動時，就會出現“擊穿”現象，使輸入電壓直接將電流傳輸到地。

　　擊穿會導致電流在開關瞬間達到峰值，使變換器無法發揮最高效率。我們不能用電流探頭來測量擊穿，因為探頭的電感會嚴重干擾電路的運行。我們可以檢查兩個場效應晶體管的柵極/源極電壓，看看是否有尖峰。這是檢測擊穿現象的另一種方法。(可以差分方式監控上部MOSFET的柵極/源極電壓。)

　　我們可以使用以下方法來減少故障的發生。

　　采用“固定死區”的控制器芯片是可行的方法之一。這種控制器芯片可以保證上MOSFET關斷后，下MOSFET重啟前有一段延遲時間。這種方法相對簡單，但在實踐中需要非常小心。如果死區時間過短，可能無法防止擊穿現象。如果死時間太長，電導損失會增加，因為底部場效應晶體管的內置二極管已經導通了整個死時間。因為這個二極管會在死區時間內導電，所以使用這種方法的系統的效率取決于底部MOSFET的內置二極管的特性。

　　另一種減少故障的方法是使用具有“自適應死區時間”的控制器芯片。這種方法的優點是可以連續監控上部MOSFET的柵極/源極電壓，以確定何時啟動底部MOSFET。

　　當高端MOSFET啟動時，dv/dt峰值會通過電感感應出現在低端MOSFET的柵極，從而推高柵極電壓(圖4)。如果柵極/源極電壓高到足以啟動它，就會發生擊穿。

　　自適應死區控制器負責監控外部MOSFET的柵極電壓。因此，任何新增加的外部柵極電阻都會分壓控制器內置下拉電阻的部分電壓，使柵極電壓實際上高于控制器監控的電壓。

　　預測柵極驅動是另一種可行的方案。該方法是利用數字反饋電路檢測內置二極管的導通并調整死區時間延遲，使內置二極管的導通最小化，保證系統的最高效率。如果采用這種方法，控制器芯片需要增加更多的引腳，這樣芯片和電源模塊的成本就會增加。需要注意的是，即使采用預測柵極驅動，也不能保證由于dv/dt的電感感應，FET不會啟動。

　　延遲高端MOSFET的啟動也有助于減少擊穿的發生。雖然這種方法可以減少或完全消除擊穿現象，但其缺點是開關損耗較高，效率較低。如果我們選擇更好的MOSFET，也將有助于降低底部MOSFET柵極出現的dv/dt電感電壓幅度。Cgs和Cgd的比值越高，MOSFET柵極上出現的電感電壓越低。

　　擊穿測試經常被忽視，例如，在負載瞬態過程中，——控制器會持續產生窄頻率脈沖，尤其是在負載釋放或突然降低時。目前大電流系統大多采用多相設計，用驅動芯片驅動MOSFET。然而，使用驅動芯片會使擊穿問題變得更加復雜，尤其是當負載處于瞬態過程時。例如，窄頻驅動脈沖的干擾，加上驅動器的傳播延遲，會導致擊穿。

　　大多數驅動芯片廠商都特別規定，控制器的脈沖寬度一定不能低于某個最低要求。如果低于這個最低要求，則沒有脈沖輸入到MOSFET的柵極。

　　此外，廠商還為驅動芯片增加了設置死區時間(TRT)的功能，以增強自適應切換時序的準確性。方法是在可設置死區時間的引腳和地之間增加一個可用于設置死區時間的電阻，以確定高低側轉換過程中的死區時間。這種死區時間設置功能結合傳播延遲可以在轉換過程中關斷互補MOSFET，避免同步降壓轉換器擊穿。

　　可靠性

　　任何模塊都必須在前期通過嚴格的測試，確保設計完美可靠，避免在生產過程的最后階段出現意外問題。相關模塊必須能夠在客戶的系統中進行測試，以確保可以充分考慮所有可能導致系統故障的相關因素，如風扇故障和風扇間歇性停止。采用分散結構的工程師希望所設計的系統能夠連續使用多年，很少或沒有故障。由于測試數顯電源模塊的MTBF高達幾百萬小時，實現這個目標并不難。

　　但印刷電路板的可靠性往往被忽視。根據目前的趨勢，印刷電路板的面積越來越小，但要處理的電流量卻在增加，因此電流密度的增加可能會導致隱藏的或其他過孔無法執行正常功能。印刷電路板上有一些隱藏的通孔，必須傳輸大量電流。對于這些隱藏的通孔，周圍一定要有足夠的銅保護裝置來保護，這樣才能保證設計更加可靠耐用。這種保護裝置還可以抑制Z軸的熱膨脹范圍，否則，一旦生產過程中印刷電路板的環境溫度發生變化，產品在使用時，隱藏的通孔就會暴露出來。工程師必須參考PCB廠商的專業意見，對PCB的設計進行徹底的復檢，PCB廠商可以根據自己的生產能力對PCB設計的可靠性提供專業意見。

　　摘要

　　要想用電源模塊構建可靠的電源系統，必須解決設計可靠性問題。以上討論集中在幾個主要問題上，包括鐵芯的可靠性、磁系統的特性、同步降壓變換器的擊穿現象以及大電流系統中印刷電路板的可靠性。