电源模块的可靠性设计有何秘籍？

Posted 2021-04-19 电源Fan

来源：ZLG致远电子

现在电源模块的体积越来越小，功率密度也越来越高，并且模块的工作环境也愈发恶劣，其高低温设计、热设计以及应力问题逐渐引起了各位工程师的重视。电源模块的可靠性设计有何秘籍？本文为你揭晓。

对于一个电源模块来说，首先要满足输入电压范围、额定功率、隔离耐压、效率、纹波和噪声等输入输出特性满足使用要求。而在这之后各位工程师最常关注的参数便是其高低温性能了。

高低温测试

一般在不同的使用领域，对电源模块的工作温度范围要求是不同的：

高低温测试被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。因为元器件的特性在低温、高温的条件下会发生一定的变化，性能参数具有温度漂移特性。所以往往很多电源模块在常温条件下没有问题，但拿到高低温环境测试就发现工作不正常或者性能参数明显下降。

电源模块低温和高温工作常常会造成以下现象：

工作振荡，输出电压纹波和噪声变大，频率发生改变，严重的甚至输出电压跳变，模块啸叫；

启动不良，如启动时输出电压升上波形有明显掉沟，输出电压不稳定，甚至模块完全启动失效；

带容性负载能力减弱，无法带最大容性负载启动；

启动时输出电压过冲幅度变大，超出规定范围；

重载或满载工作时输出电压明显降低；

高温老化损坏，模块没有输出；

热设计

电源模块的热设计，简单来说就是：通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少模块内部产生的热量，减少热阻，选择合理的冷却方式。发热元器件要尽可能使其分散布局。设计PCB板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导。对于大功率的贴片元器件，可以采用大面积敷铜箔的方式，以加大PCB的散热面积。电源模块内部可通过填充导热硅胶和树脂等来降低模块内部元器件的温升。对于体积较大的电源模块，可以使用散热片进行散热，增加对流和辐射的表面积从而大大地改善了电子器件的散热效果。

图中展示的是尚未灌封的某电源模块，常温长时间工作后采用红外热成像仪测试其表面温度。其中MOS管常温不灌封实测的最高温度为85.5℃，然后采用热电偶配合数据采集仪对填充灌封胶的成品在高温条件下测试其各种情况下的温度，最高为97.2℃，对于最高温度为175℃的MOS管，其温度降额满足Ⅰ级降额，性能可谓是比较优异的。

降额设计

所谓的降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。将元器件进行降额使用使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，具体降额等级可以参考《国家军用标准——元器件降额准则GJB/Z35-93》，一般可分成三个降额等级：

应力设计

对于电源模块的应力设计，重点关注场效应管(MOS管)、二极管、变压器、功率电感、电解电容、限流电阻等。保证全电压范围内在稳态、瞬态、短路等各种极限条件下都能有足够的降额，以保障产品的可靠性。例如对于某Vds最高电压为100V的MOS管，作为电源模块的主功率开关管，实测其在最高输入电压下的各种状态(如图1～3所示)，最高Vds=67.2V，降额因子0.672，满足Ⅰ级降额，余量很充足。

图1 稳态工作时MOS管波形Vds_max=57.2V

图2 输出短路时MOS管波形Vds_max=67.2V

图3 起机瞬态时MOS管波形Vds_max=59V

由于电源模块越趋于小型化，功率密度相应越来越高，电源模块有关热设计方面的问题尤其突出。特别是对使用有电解电容的电源模块，高温会使电解电容的电解液加速消耗，大大减少电解电容的寿命。高温会使元器件材料加速老化，例如使得变压器漆包线的绝缘特性降低，导致绝缘耐压不良甚至造成匝间短路。良好的热设计不仅可延长电源模块和其周围元器件的使用寿命，还可使整个产品发热均匀，减少故障的发生。

影响电源可靠性的因素

1、电压应力

电源电压应力是保证电源可靠性的一个重要指标。在电源中有许多器件都有规定最大耐压值，比如：场效应管的Vds和Vgs、二极管的反向耐压、IC的最大VCC电压以及输入输出电容的最大耐压。所以我们设计时必须要考虑到器件要承受的最大电压。再根据电压选择适当器件，最后再进行实际测试加以验证。但在测试时我们必须测试电源所有工作状态的电压应力，以确保在最恶劣的工作状态下也能留出约10%的安全裕量。

2、电流应力

电源电流应力往往与热应力密切相关，比如二极管SK54最大平均电流为5A，但是它是在满足热应力降额前提下的极限参数。所以我们选择器件时必须要同时满足器件的电流应力与热应力；在满足器件热应力的前提下，选择合适额定电流值的器件方可保证电源可靠性要求。

3、反馈环路

反馈环路是电源的重要组成部分，我们设计电源时必须要保证反馈环路的稳定。所以我们设计环路参数时需要保持一定裕度；比如增益裕度一般保持在20db左右，相位裕度保持在45度左右，穿越频率一般设置在开关频率的1/6。再实际测试加以验证环路的稳定性。

4、磁性元件的磁饱和

我们在设计反激变压器以及一些储能电感时，设定最大磁通量Bm尤为关键。由于电源起机和短路保护时最大磁通量Bm大于稳态工作时的Bm，所以我设定变压器的Bm时需要预留足够的裕度。如图 1所示，磁芯温度为100℃曲线可知Bm=0.35T时磁芯接近饱和，所以出于对电源起机、输出过流和短路等极限情况考虑，铁氧体P4材质的变压器的稳态Bm一般小于0.25T。

5、PWM的死区时间

对于半桥、全桥和LLC谐振等一些H桥或半H桥的拓扑电源，PWM的死区时间设定对电源可靠性至关重要。实际上设定死区时间实则为了避免上、下管直通从而导致电源炸机，也就是说设定一段上、下管同时关断的时间，在上管关断后延迟一段时间再导通下管或在下管关断后延迟一段时间再导通上管，如图 2所示td即为死区时间。

6、电源的软启动

电源的软启动对降低场效应管和输出二极管的尖峰电压和尖峰电流有很大帮助，从而降低了其电压应力和电流应力。但是对于LLC谐振电源来说，软启动对电源起机的可靠性非常关键；因为LLC电源的IC是通过高频扫描的方式启动的。如图 3所示在IC启动时驱动PWM频率会从设定的最高频率开始慢慢恢复正常频率，恢复时间也就是软启动时间。在此期间电源工作在不稳定状态，软启动时间越长，启动越安全；但软启动时间过长也会对电源带容性负载能力和起机时间造成影响。

7、保护电路

要确保电源可靠性除了做好以上六点以外，相应的保护电路也是不可或缺。保护电路具体有输入欠压保护、输入过压保护、输出过流保护、输出短路保护和输出过压保护等等。为避免输入电压过低时电源出现非正常工作的现象，电源需添加输入欠压保护；为避免输入电压过高，从而期间电压应力超标，电源需添加输入过压保护；为避免输出过流和短路从而导致器件过热、磁饱和等现象，电源需添加过流保护和短路保护；为避免电源出现输出电压过高导致电源负载端损坏，电源需添加输出过压保护。

总结：影响电源可靠性因素有很多，本文只谈到了其中一部分，比如还有EMC、安规和过热保护等都是影响电源可靠的关键的因素。我们设计电源可能不会太难，但要想设计出稳定可靠的电源绝不会太容易，设计时我们只有考虑所有可靠性因素并实际加以验证，我们电源才算是稳定可靠的电源。

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