电源模块设计分析.pdf

1 电源模块设计分析电源模块设计分析 作者：Ramesh Khanna 美国国家半导体首席应用技术工程师 图1：电源供应 电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器(参看图1)，其特点是可为特殊应用集成电路（ASIC）、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列(FPGA)及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说，这类模块称为负载点电源供应系统(POL)或使用点电源供应系统(PUPS)。由于模块式结构的优点甚多，因此高性能电信、网络联系及数据通信等系统都广泛采用各种模块。虽然采用模块有很多优点，但工程师设计电源模块以至大部分板上直流/直流转换器时，往往忽略可靠性及测量方面的问题。下文将会审视这些问题，并分别提出相关的解决方案。采用电源模块的优点采用电源模块的优点 目前不同的供应商在市场上推出多种不同的电源模块，而不同产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同。采用电源模块可以节省开发时间，使产品可以更快推出市场，因此电源模块比集成式的解决方案优胜。电源模块还有以下多个优点：2 每一模块可以分别加以严格测试，以确保其高度可靠，其中包括通电 测试，以便剔除不合规格的产品。相较之下，集成式的解决方案便较难测试，因为整个供电系统与电路上的其他功能系统紧密联系一起。不同的供应商可以按照现有的技术标准设计同一大小的模块，为设计电源供应器的工程师提供多种不同的选择。每一模块的设计及测试都按照标准性能的规定进行，有助减少采用新技术所承受的风险 若采用集成式的解决方案，一旦电源供应系统出现问题，便需要将整块主机板更换；若采用模块式的设计，只要将问题模块更换便可，这样有助节省成本及开发时间 经常被忽略的电源模块设计问题经常被忽略的电源模块设计问题 虽然采用模块式的设计有以上的多个优点，但模块式设计以至板上直流/直流转换器设计也有本身的问题，很多人对这些问题认识不足，或不给予足够的重视。以下是其中的部分问题：输出噪音的测量 磁力系统的设计 同步降压转换器的击穿现象 印刷电路板的可靠性 这些问题会在下文一一加以讨论，下文还会介绍多种可解决这些问题的简单技术。输出噪音的测量技术输出噪音的测量技术 所有采用开关模式的电源供应器都会输出噪音。开关频率越高，便越需要采用正确的测量技术，以确保所量度的数据准确可靠。量度输出噪音及其他重要数据时，可以采用图 2 所示的 Tektronix 探针探头(一般称为冷喷嘴探头)，以确保测量数字准确可靠，而且符合预测。这种测量技术也确保接地环路可减至最小。3 图 2：测量输出噪音数字 进行测量时我们也要将测量仪表可能会出现传播延迟这个因素计算在内。大部分电流探头的传播延迟都大于电压探头。因此必须同时显示电压及电流波形的测量便无法确保测量数字的准确度，除非利用人手将不同的延迟加以均衡。电流探头也会将电感输入电路之内。典型的电流探头会输入 600nH 的电感。对于高频的电路设计来说，由于电路可承受的电感不能超过 1H，因此，经由探头输入的电感会影响 di/dt 电流测量的准确性，甚至令测量数字出现很大的误差。若电感器已饱和，则可采用另一更为准确的方法测量电流量，例如，我们可以测量与电感器串行一起的小型分路电阻的电压。磁学的设计磁学的设计 磁心是否可靠是另一个经常被人忽略的问题。大部分输出电感器都采用铁粉磁心，因为铁粉是成本最低的物料。铁粉磁心的成份之中大约有 95%属纯铁粒，而这些铁粉粒利用有机胶合剂粘合一起。这些胶合剂也将每一铁粉粒分隔，使磁心内外满布透气空间。铁粉是构成磁心的原材料，但铁粉含有小量的杂质如锰及铬，而这些杂质会影响磁心的可靠性，影响程度视乎所含杂质的数量。我们可以利用光谱电子显微镜(SEM)仔细查看磁心的截面，以便确定杂质的相对分布情况。磁心是否可靠，关键在于材料是否可以预测以及其供应是否稳定可靠。若铁粉磁心长期处于高温环境之中，磁心损耗可能会增加，而且损耗一旦增多，便永远无法复原，因为有机胶合剂出现份子分解，令涡流损耗增加。这种现象可称为热老化，最后可能会引致磁心出现热失控。4磁心损耗的大小受交流电通量密度、操作频率、磁心大小及物料类别等多个不同因素影响。以高频操作为例来说，大部分损耗属涡流损耗。若以低频操作，磁滞损耗反而是最大的损耗。涡流损耗会令磁心受热，以致效率也会受影响而下跌。产生涡流损耗的原因是以铁磁物质造成的物体受不同时间的不同磁通影响令物体内产生循环不息的电流。我们只要选用一片片的铁磁薄片而非实心铁磁作为磁心的物料，便可减低涡流损耗。例如，以磁带绕成的 Metglas 便是这样的一种磁心。其他的铁磁产品供应商如 Magnetics Inc 也生产以磁带绕成的磁心。Micrometals()等磁心产品供应商特别为设计磁性产品的工程师提供有关磁心受热老化的最新资料及计算方式。采用无机胶合剂的铁粉磁心不会有受热老化的情况出现。市场上已有这类磁心出售，Micrometals 的 200C 系列磁心便属于这类产品。同步降压转换器的击穿现象同步降压转换器的击穿现象 负载点电源供应系统(POL)或使用点电源供应系统(PUPS)等供电系统都广泛采用同步降压转换器(图3)。这种同步降压转换器采用高端及低端的 MOSFET 取代传统降压转换器的钳位二极管，以便降低负载电流的损耗。工程师设计降压转换器时经常忽视“击穿”的问题。每当高端及低端 MOSFET 同时全面或局部启动时，便会出现“击穿”的现象，使输入电压可以将电流直接输送到接地。击穿现象会导致电流在开关的一瞬间出现尖峰，令转换器无法发挥其最高的效率。我们不可采用电流探头测量击穿的情况，因为探头的电感会严重干扰电路的操作。我们可以检查两个场效应晶体管(FET)的门极/源极电压，看看是否有尖峰出现。这是另一个检测击穿现象的方法。(上层 MOSFET 的门极/源极电压可以利用差分方式加以监测。)5 图3：同步降压转换器 我们可以利用以下的方法减少击穿现象的出现。采用设有“固定死区时间”的控制器芯片是其中一个可行的办法。这种控制器芯片可以确保上层 MOSFET 关闭之后会出现一段延迟时间，才让下层 MOSFET 重新启动。这个方法较为简单，但真正实行时则要很小心。若死区时间太短，可能无法阻止击穿现象的出现。若死区时间太长，电导损耗便会增加，因为底层场效应晶体管内置的二极管在整段死区时间内一直在启动。由于这个二极管会在死区时间内导电，因此采用这个方法的系统效率便取决于底层 MOSFET 的内置二极管的特性。另一个减少击穿的方法是采用设有“自适应死区时间”的控制器芯片。这个方法的优点是可以不断监测上层 MOSFET 的门极/源极电压，以便确定何时才启动底层 MOSFET。高端 MOSFET 启动时，会通过电感感应令低端 MOSFET 的门极出现 dv/dt 尖峰，以致推高门极电压(图4)。若门极/源极电压高至足以将之启动，击穿现象便会出现。6 图4：出现在低端 MOSFET 的 dv/dt 感生电平振幅 通道 1 开关节点 通道 2 低端 MOSFET 的门极/源极电压 自适应死区时间控制器负责在外面监测 MOSFET 的门极电压。因此，任何新加的外置门极电阻会分去控制器内置下拉电阻的部分电压，以致门极电压实际上会比控制器监控的电压高。预测性门极驱动是另一个可行的方案，办法是利用数字反馈电路检测内置二极管的导电情况以及调节死区时间延迟，以便将内置二极管的导电减至最少，确保系统可以发挥最高的效率。若采用这个方法，控制器芯片需要添加更多引脚，以致芯片及电源模块的成本会增加。有一点需要注意，即使采用预测性门极驱动，也无法保证场效应晶体管不会因为 dv/dt 的电感感应而启动。延迟高端 MOSFET 的启动也有助减少击穿情况出现。虽然这个方法可以减少或彻底消除击穿现象，但缺点是开关损耗较高，而效率也会下降。我们若选用较好的 MOSFET，也有助缩小出现在底层 MOSFET 门极的 dv/dt 电感电压振幅。Cgs 与 Cgd 之间的比率越高，在 MOSFET 门极上出现的电感电压便越低。击穿的测试情况经常被人忽略，例如在负载瞬态过程中-尤其是每当负载已解除或突然减少时-控制器会不断产生窄频脉冲。目前大部分高电流系统都采用多相位设计，利用驱动器芯片驱动 MOSFET。但采用驱动器芯片会令击穿问题更为复杂，尤 7其是当负载处于瞬态过程之中。例如，窄频驱动脉冲的干扰，再加上驱动器出现传播延迟，都会导致击穿情况的出现。大部分驱动器芯片生产商都特别规定控制器的脉冲宽度必须不可低于某一最低的要求，若低于这个最低要求，便不会有脉冲输入 MOSFET 的门极。此外，生产商也为驱动器芯片另外加设可设定死区时间(TRT)的功能，以增强自适应转换定时的准确性。办法是在可设定死区时间引脚与接地之间加设一个可用以设定死区时间的电阻，以确定高低端转换过程中的死区时间。这个死区时间设定功能加上传播延迟可将处于转换过程中的互补性 MOSFET 关闭，以免同步降压转换器出现击穿情况。可靠性可靠性 任何模块都必须在早期阶段通过严格的测试，以确保设计完善可靠，以免在生产过程中的最后阶段才出现意想不到的问题。有关模块必须可以在客户的系统之中进行测试，以确保所有有可能导致系统出现故障的相关因素，例如散热扇故障、散热扇间歇性停顿等问题都能给予充分的考虑。采用分散式结构的工程师都希望所设计的系统可以连续使用很多年而很少或甚至不会出现故障。由于测试数字显示电源模块的 MTBF 高达几百万小时，要达到这个目标并不怎样困难。但经常被人忽略的反而是印刷电路板的可靠性问题。照目前的趋势看，印刷电路板的面积越缩越小，但需要处理的电流量则越来越大，因此电流密度的增加可能会引致隐蔽式或其他通孔无法执行正常功能。印刷电路板有部分隐蔽通孔必须传送大量电流，对于这些隐蔽通孔来说，其周围必须有足够的铜造防护装置为其提供保护，以确保设计更可靠耐用。这种防护装置也可抑制 z 轴的受热膨胀幅度，若非如此，生产过程中以及产品使用时印刷电路板的环境温度一旦有什么变化，隐蔽通孔便会外露。工程师必须参考印刷电路板厂商的专业意见，彻底复检印刷电路板的设计，而印刷电路板厂商可以根据他们的生产能力提供有关印刷电路板设计可靠性的专业意见。总结总结 我们若要利用电源模块组建可靠的电源供应系统，便必须解决设计可靠性的问题。上文集中讨论几个主要问题，其中包括铁粉磁心的可靠性、磁系统的特性、同步降压转换器的击穿现象以及高电流系统印刷电路板的可靠性等问题。致谢：Tushar Dhayagude 先生及 Haachitaba Mweene 博士曾就本文内容提出他们的宝贵的意见，作者谨此向他们一一致谢。8 参考资料：参考资料：1.“同步降压稳压器的击穿现象”-Jon Klein 2.“容易出现交叉电导的 MOSFET”-Alan Elbanhawy