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 如果你是個(gè)直流開(kāi)關(guān)電源工程師，關(guān)于直流開(kāi)關(guān)電源模塊的簡(jiǎn)介就不必看了。如果你都是小白，或是學(xué)單片機的，最好一個(gè)字一個(gè)字往下看。
直流開(kāi)關(guān)電源模塊是能夠直接貼裝在印刷電路板上的直流開(kāi)關(guān)電源供給器 (見(jiàn)圖1)，其特點(diǎn)是可為專(zhuān)用集成電路（ASIC）、數字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 及其他數字或模擬負載供給供電。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)模塊稱(chēng)為負載點(diǎn) (POL) 直流開(kāi)關(guān)電源供給體系或運用點(diǎn)直流開(kāi)關(guān)電源供給體系 (PUPS)。因為模塊式結構的長(cháng)處甚多，因而高性能電信、網(wǎng)絡(luò )聯(lián)絡(luò )及數據通信等體系都廣泛選用各種模塊。盡管選用模塊有許多長(cháng)處，但工程師規劃直流開(kāi)關(guān)電源模塊致使大部分板上直流/直流變換器時(shí)，往往疏忽牢靠性及丈量方面的問(wèn)題。本文將深入探討這些問(wèn)題，并分別提出相關(guān)的解決方案。

圖1，直流開(kāi)關(guān)電源供給器

選用直流開(kāi)關(guān)電源模塊的長(cháng)處
現在不同的供給商在商場(chǎng)上推出多種不同的直流開(kāi)關(guān)電源模塊，而不同產(chǎn)品的輸入電壓、輸出功率、功用及拓撲結構等都各不相同。選用直流開(kāi)關(guān)電源模塊能夠節約開(kāi)發(fā)時(shí)刻，使產(chǎn)品能夠更快推出商場(chǎng)，因而直流開(kāi)關(guān)電源模塊比集成式的解決方案優(yōu)勝。直流開(kāi)關(guān)電源模塊還有以下多個(gè)長(cháng)處：“
● 每一模塊能夠分別加以嚴厲測驗，以確保其高度牢靠，其間包含通電 測驗，以便除掉不合規格的產(chǎn)品。相較之下，集成式的解決方案便較難測驗，因為整個(gè)供電體系與電路上的其他功用體系緊密聯(lián)絡(luò )一同?！　?/span>
● 不同的供給商能夠依照現有的技能規范規劃同一巨細的模塊，為規劃直流開(kāi)關(guān)電源供給器的工程師供給多種不同的挑選?！　?/span>
● 每一模塊的規劃及測驗都依照規范性能的規則進(jìn)行，有助削減選用新技能所接受的危險?！　?/span>
● 若選用集成式的解決方案，一旦直流開(kāi)關(guān)電源供給體系呈現問(wèn)題，便需求將整塊主機板替換；若選用模塊式的規劃，只需將問(wèn)題模塊替換便可，這樣有助節約本錢(qián)及開(kāi)發(fā)時(shí)刻。
容易被疏忽的直流開(kāi)關(guān)電源模塊規劃問(wèn)題
盡管選用模塊式的規劃有以上的多個(gè)長(cháng)處，但模塊式規劃致使板上直流/直流變換器規劃也有自身的問(wèn)題，許多人對這些問(wèn)題知道缺乏，或不給予滿(mǎn)足的注重。以下是其間的部分問(wèn)題：

● 輸出噪音的丈量；　　
● 磁力體系的規劃；　　
● 同步降壓變換器的擊穿現象；　　
● 印刷電路板的牢靠性。
這些問(wèn)題會(huì )將鄙人文中逐個(gè)加以評論，一同還會(huì )介紹多種可解決這些問(wèn)題的簡(jiǎn)略技能。

輸出噪音的丈量技能
一切選用開(kāi)關(guān)形式的直流開(kāi)關(guān)電源供給器都會(huì )輸出噪音。開(kāi)關(guān)頻率越高，便越需求選用正確的丈量技能，以確保所丈量的數據精確牢靠。丈量輸出噪音及其他重要數據時(shí)，能夠選用圖2所示的 Tektronix 探針探頭 (一般稱(chēng)為冷噴嘴探頭)，以確保丈量數字精確牢靠，并且契合猜測。這種丈量技能也確保接地環(huán)路可減至最小。

 
圖2，測量輸出噪音數字
　　
進(jìn)行測量時(shí)我們也要將丈量外表可能會(huì )呈現傳達推遲這個(gè)要素核算在內。大部分電流探頭的傳達推遲都大于電壓探頭。因而有必要一同顯示電壓及電流波形的丈量便無(wú)法確保丈量數字的精確度，除非運用人手將不同的推遲加以均衡?！　?/span>
電流探頭也會(huì )將電感輸入電路之內。典型的電流探頭會(huì )輸入 600nH 的電感。關(guān)于高頻的電路規劃來(lái)說(shuō)，因為電路可接受的電感不能超過(guò)1mH，因而，經(jīng)由探頭輸入的電感會(huì )影響 di/dt 電流丈量的精確性，乃至令丈量數字呈現很大的誤差。若電感器已飽滿(mǎn)，則可選用另一更為精確的方法丈量電流量，例如，我們能夠丈量與電感器串行一同的小型分路電阻的電壓。

磁學(xué)的規劃
磁心是否牢靠是另一個(gè)常常被人疏忽的問(wèn)題。大部分輸出電感器都選用鐵粉磁心，因為鐵粉是本錢(qián)最低的物料。鐵粉磁心的成份之中大約有 95% 屬純鐵粒，而這些鐵粉粒運用有機膠合劑粘合一同。這些膠合劑也將每一鐵粉粒分隔，使磁心表里滿(mǎn)布透氣空間?！　?/span>
鐵粉是構成磁心的原材料，但鐵粉含有小量的雜質(zhì)如錳及鉻，而這些雜質(zhì)會(huì )影響磁心的牢靠性，影響程度視乎所含雜質(zhì)的數量。我們能夠運用光譜電子顯微鏡 (SEM) 細心查看磁心的截面，以便斷定雜質(zhì)的相對散布狀況。磁心是否牢靠，關(guān)鍵在于材料是否能夠猜測以及其供給是否安穩牢靠?！　?/span>
若鐵粉磁心長(cháng)時(shí)刻處于高溫環(huán)境之中，磁心損耗可能會(huì )添加，并且損耗一旦增多，便永遠無(wú)法復原，因為有機膠合劑呈現份子分解，令渦流損耗添加。這種現象可稱(chēng)為熱老化，最終可能會(huì )引致磁心呈現熱失控?！　?/span>
磁心損耗的巨細受交流電通量密度、操作頻率、磁心巨細及物料類(lèi)別等多個(gè)不同要素影響。以高頻操作為例來(lái)說(shuō)，大部分損耗屬渦流損耗。若以低頻操作，磁滯損耗反而是最大的損耗?！　?/span>
渦流損耗會(huì )令磁心受熱，致使功率也會(huì )受影響而跌落。發(fā)生渦流損耗的原因是以鐵磁物質(zhì)形成的物體受不一同刻的不同磁通影響令物體內發(fā)生循環(huán)不息的電流。我們只需選用一片片的鐵磁薄片而非實(shí)心鐵磁作為磁心的物料，便可減低渦流損耗。例如，以磁帶繞成的 Metglas 就是這樣的一種磁心。其他的鐵磁產(chǎn)品供給商如 Magnetics 也出產(chǎn)以磁帶繞成的磁心?！　?/span>
Micrometals  等磁心產(chǎn)品供給商特別為規劃磁性產(chǎn)品的工程師供給有關(guān)磁心受熱老化的最新資料及核算方法。選用無(wú)機膠合劑的鐵粉磁心不會(huì )有受熱老化的狀況呈現。商場(chǎng)上已有這類(lèi)磁心出售，Micrometals 的 200C 系列磁心便歸于這類(lèi)產(chǎn)品。

同步降壓變換器的擊穿現象
負載點(diǎn)直流開(kāi)關(guān)電源供給體系 (POL) 或運用點(diǎn)直流開(kāi)關(guān)電源供給體系 (PUPS) 等供電體系都廣泛選用同步降壓變換器 (圖3)。這種同步降壓變換器選用高端及低端的 MOSFET 替代傳統降壓變換器的箝位二極管，以便下降負載電流的損耗。

圖3，直流開(kāi)關(guān)電源同步降壓變換器
　　
工程師規劃降壓變換器時(shí)常常忽視“擊穿”的問(wèn)題。每逢高端及低端 MOSFET 一同全面或部分發(fā)動(dòng)時(shí)，便會(huì )呈現“擊穿”的現象，使輸入電壓能夠將電流直接輸送到接地?！　?/span>
擊穿現象會(huì )導致電流在開(kāi)關(guān)的一會(huì )兒呈現尖峰，令變換器無(wú)法發(fā)揮其最高的功率。我們不行選用電流探頭丈量擊穿的狀況，因為探頭的電感會(huì )嚴峻攪擾電路的操作。我們能夠查看兩個(gè)場(chǎng)效應晶體管 (FET) 的門(mén)極/源極電壓，看看是否有尖峰呈現。這是另一個(gè)檢測擊穿現象的方法。(上層 MOSFET 的門(mén)極/源極電壓能夠運用差分方法加以監測。)
　　
我們能夠運用以下的方法削減擊穿現象的呈現?！　?/span>
選用設有“固定死區時(shí)刻”的控制器芯片是其間一個(gè)可行的方法。這種控制器芯片能夠確保上層 MOSFET 封閉之后會(huì )呈現一段推遲時(shí)刻，才讓下層 MOSFET 重新發(fā)動(dòng)。這個(gè)方法較為簡(jiǎn)略，但真實(shí)實(shí)行時(shí)則要很當心。若死區時(shí)刻太短，可能無(wú)法阻撓擊穿現象的呈現。若死區時(shí)刻太長(cháng)，電導損耗便會(huì )添加，因為底層場(chǎng)效應晶體管內置的二極管在整段死區時(shí)刻內一直在發(fā)動(dòng)。因為這個(gè)二極管會(huì )在死區時(shí)刻內導電，因而選用這個(gè)方法的體系功率便取決于底層 MOSFET 的內置二極管的特性?！　?/span>
另一個(gè)削減擊穿的方法是選用設有“自適應死區時(shí)刻”的控制器芯片。這個(gè)方法的長(cháng)處是能夠不斷監測上層 MOSFET 的門(mén)極/源極電壓，以便斷定何時(shí)才發(fā)動(dòng)底層 MOSFET?！　?/span>
高端 MOSFET 發(fā)動(dòng)時(shí)，會(huì )通過(guò)電感感應令低端 MOSFET 的門(mén)極呈現 dv/dt 尖峰，致使推高門(mén)極電壓 (圖4)。若門(mén)極/源極電壓高至足以將之發(fā)動(dòng)，擊穿現象便會(huì )呈現。

 
圖4，直流開(kāi)關(guān)電源呈現在低端MOSFET的dv/dt感生電平振幅
　　
自適應死區時(shí)刻控制器擔任在外面監測 MOSFET 的門(mén)極電壓。因而，任何新加的外置門(mén)極電阻會(huì )分去控制器內置下拉電阻的部分電壓，致使門(mén)極電壓實(shí)際上會(huì )比控制器監控的電壓高?！　?/span>
猜測性門(mén)極驅動(dòng)是另一個(gè)可行的方案，方法是運用數字反應電路檢測內置二極管的導電狀況以及調節死區時(shí)刻推遲，以便將內置二極管的導電減至最少，確保體系能夠發(fā)揮最高的功率。若選用這個(gè)方法，控制器芯片需求添加更多引腳，致使芯片及直流開(kāi)關(guān)電源模塊的本錢(qián)會(huì )添加?！　?/span>
有一點(diǎn)需求留意，即便選用猜測性門(mén)極驅動(dòng)，也無(wú)法確保場(chǎng)效應晶體管不會(huì )因為 dv/dt 的電感感應而發(fā)動(dòng)。
推遲高端 MOSFET 的發(fā)動(dòng)也有助削減擊穿狀況呈現。盡管這個(gè)方法能夠削減或完全消除擊穿現象，但缺陷是開(kāi)關(guān)損耗較高，而功率也會(huì )下降。我們若選用較好的 MOSFET，也有助縮小呈現在底層 MOSFET 門(mén)極的 dv/dt 電感電壓振幅。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高，在 MOSFET 門(mén)極上呈現的電感電壓便越低。
　　擊穿的測驗狀況常常被人疏忽，例如在負載瞬態(tài)進(jìn)程中——尤其是每逢負載已免除或突然削減時(shí)——控制器會(huì )不斷發(fā)生窄頻脈沖?，F在大部分高電流體系都選用多相位規劃，運用驅動(dòng)器芯片驅動(dòng) MOSFET。但選用驅動(dòng)器芯片會(huì )令擊穿問(wèn)題更為雜亂，尤其是當負載處于瞬態(tài)進(jìn)程之中。例如，窄頻驅動(dòng)脈沖的攪擾，再加上驅動(dòng)器呈現傳達推遲，都會(huì )導致?lián)舸顩r的呈現。
　　大部分驅動(dòng)器芯片出產(chǎn)商都特別規則控制器的脈沖寬度有必要不行低于某一最低的要求，若低于這個(gè)最低要求，便不會(huì )有脈沖輸入 MOSFET 的門(mén)極。
　　此外，出產(chǎn)商也為驅動(dòng)器芯片別的加設可設定死區時(shí)刻 (TRT) 的功用，以增強自適應變換守時(shí)的精確性。方法是在可設定死區時(shí)刻引腳與接地之間加設一個(gè)可用以設定死區時(shí)刻的電阻，以斷定高低端變換進(jìn)程中的死區時(shí)刻。這個(gè)死區時(shí)刻設定功用加上傳達推遲可將處于變換進(jìn)程中的互補性 MOSFET 封閉，避免同步降壓變換器呈現擊穿狀況。

牢靠性
任何模塊都有必要在前期階段通過(guò)嚴厲的測驗，以確保規劃完善牢靠，避免在出產(chǎn)進(jìn)程中的最終階段才呈現意想不到的問(wèn)題。有關(guān)模塊有必要能夠在客戶(hù)的體系之中進(jìn)行測驗，以確保一切有可能導致體系呈現毛病的相關(guān)要素，例如散熱扇毛病、散熱扇間歇性中止等問(wèn)題都能給予充沛的考慮。選用渙散式結構的工程師都期望所規劃的體系能夠接連運用許多年而很少或乃至不會(huì )呈現毛病。因為測驗數字顯示直流開(kāi)關(guān)電源模塊的 MTBF 高達幾百萬(wàn)小時(shí)，要到達這個(gè)方針并不怎樣困難。
　　但常常被人疏忽的反而是印刷電路板的牢靠性問(wèn)題。照現在的趨勢看，印刷電路板的面積越縮越小，但需求處理的電流量則越來(lái)越大，因而電流密度的添加可能會(huì )引致蔭蔽式或其他通孔無(wú)法執行正常功用。
　　印刷電路板有部分蔭蔽通孔有必要傳送很多電流，關(guān)于這些蔭蔽通孔來(lái)說(shuō)，其周?chē)斜匾袧M(mǎn)足的銅造防護設備為其供給保護，以確保規劃更牢靠經(jīng)用。這種防護設備也可抑制 z 軸的受熱脹大幅度，若非如此，出產(chǎn)進(jìn)程中以及產(chǎn)品運用時(shí)印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么改變，蔭蔽通孔便會(huì )外露。工程師有必要參考印刷電路板廠(chǎng)商的專(zhuān)業(yè)定見(jiàn)，完全復檢印刷電路板的規劃，而印刷電路板廠(chǎng)商能夠依據他們的出產(chǎn)能力供給有關(guān)印刷電路板規劃牢靠性的專(zhuān)業(yè)定見(jiàn)。 

總結
我們若要運用直流開(kāi)關(guān)電源模塊組成牢靠的直流開(kāi)關(guān)電源供給體系，便有必要解決規劃牢靠性的問(wèn)題。上文會(huì )集評論幾個(gè)首要問(wèn)題，其間包含鐵粉磁心的牢靠性、磁體系的特性、同步降壓變換器的擊穿現象以及高電流體系印刷電路板的牢靠性等問(wèn)題。

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