怎樣設(shè)計(jì)出高可靠性電源電路，看完這篇文章你就懂了

　　1　引言

　　開(kāi)關(guān)電源是各種系統(tǒng)的核心部分。開(kāi)關(guān)電源的需求越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)可靠性提出了越來(lái)越高的要求。涉及系統(tǒng)可靠性的因素很多。目前，人們認(rèn)識(shí)上的主要誤區(qū)是把可靠性完全(或基本上)歸結(jié)于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和環(huán)境溫度對(duì)可靠性的決定性的作用。據(jù)美國(guó)海軍電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

　　在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問(wèn)題80%源于設(shè)計(jì)方面(日本把元器件的選型、質(zhì)量級(jí)別的確定、元器件的負(fù)荷率等部分也歸入設(shè)計(jì)上的原因)。以上兩方面的數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)及元器件(元器件的選型，質(zhì)量級(jí)別的確定，元器件的負(fù)荷率)的原因造成的故障，在開(kāi)關(guān)電源故障原因中占80%左右。減少這兩方面造成的開(kāi)關(guān)電源故障，具有重要的意義?？傊?，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，需要明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統(tǒng)的可靠性作為重要的技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)真對(duì)待開(kāi)關(guān)電源可靠性的設(shè)計(jì)工作，并采取足夠的措施提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，才能使系統(tǒng)和產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定、可靠的目標(biāo)。本文就從這兩個(gè)方面來(lái)研究與闡述。

　　2 系統(tǒng)可靠性的定義及指標(biāo)

　　國(guó)際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統(tǒng)，也適用于一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)單元。描述這種隨機(jī)事件的概率可用來(lái)作為表征開(kāi)關(guān)電源可靠性的特征量和特征函數(shù)。從而，引出可靠度[R(t)]的定義：系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。

　　如系統(tǒng)在開(kāi)始 (t=0)時(shí)有n0個(gè)元件在工作，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作，

　　則

　　可靠性 R(t)=n/n0　　0≤R(t) ≤1

　　失效率λ(t)= - dinR(t)/dt

　　λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)，即λ=dn/dt。

　　如失效率λ為常數(shù)，則

　　dn/dt=-λt

　　n=n0e-λt

　　R(t)=e-λt0　

　　MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)=1/λ

　　平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要指標(biāo)，用來(lái)衡量開(kāi)關(guān)電源的可靠性。

　　3　影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的因素

　　從各研究機(jī)構(gòu)研究成果可以看出，環(huán)境溫度和負(fù)荷率對(duì)可靠性影響很大，這兩個(gè)方面對(duì)開(kāi)關(guān)電源的影響很大，下面將從這兩方面分析，如何設(shè)計(jì)出高可靠的開(kāi)關(guān)電源。其中：PD為使用功率;PR為額定功率主。UD為使用電壓;UR為額定電壓。

　　3.1 環(huán)境溫度對(duì)元器件的影響

　　3.1.1 環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體IC的影響

　　硅三極管以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)溫度對(duì)可靠性的影響，如表2所示。

　　由表2可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了30倍。

　　3.1.2 環(huán)境溫度對(duì)電容器的影響

　　以UD/UR=0.65使用負(fù)荷設(shè)計(jì) 則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表3所示。

　　從表3可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了14倍。

　　3.1.3 環(huán)境溫度對(duì)電阻器的影響

　　以PD/PR=0.5使用負(fù)荷設(shè)計(jì)，則環(huán)境溫度對(duì)可靠性的影響如表4所示。

　　從表4可知，當(dāng)環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了4倍。

　　3.2 負(fù)荷率對(duì)元器件的影響

　　3.2.1 負(fù)荷率對(duì)半導(dǎo)體IC的影響

　　當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時(shí)，PD/PR對(duì)失效率的影響如表5所示。

　　由表5可知，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍。

　　3.2.2 負(fù)荷率對(duì)電阻的影響

　　負(fù)荷率對(duì)電阻的影響如表6所示。

　　從表6可以看出，當(dāng)PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。

　　4　可靠性設(shè)計(jì)的原則

　　我們可以從上面的分析中得出開(kāi)關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)原則。

　　4.1可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)包含定量的可靠性要求。

　　4.2可靠性設(shè)計(jì)與器件的功能設(shè)計(jì)相結(jié)合，在滿足器件性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量提高器件的可靠性水平。

　　4.3應(yīng)針對(duì)器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應(yīng)制約因素進(jìn)行綜合平衡設(shè)計(jì)。

　　4.4在可靠性設(shè)計(jì)中盡可能采用國(guó)、內(nèi)外成熟的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝和新原理。

　　4.5對(duì)于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗佘度。

　　4.6原則上要盡一切可能減少元器件使用數(shù)目。

　　4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。

　　4.8選用高質(zhì)量等級(jí)的元器件。

　　4.9原則上不選用電解電容。

　　4.10對(duì)電源進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，控制環(huán)境溫度，不致溫度過(guò)高，導(dǎo)致元器件失效率增加。

　　4.11盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

　　4.12應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件，禁止選用塑料封裝的器件。

　　5　可靠性設(shè)計(jì)

　　5.1 負(fù)荷率的設(shè)計(jì)

　　由于負(fù)荷率對(duì)可靠性有重大影響，故可靠性設(shè)計(jì)重要的一個(gè)方面是負(fù)荷率的設(shè)計(jì)，跟據(jù)元器件的特性及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，元器件的負(fù)荷率在下列數(shù)值時(shí)，電源系統(tǒng)的可靠性及成本是較優(yōu)的。

　　5.1.1半導(dǎo)體元器件

　　半導(dǎo)體元器件的電壓降額應(yīng)在0.6以下，電流降額系數(shù)應(yīng)在0.5以下。半導(dǎo)體元器件除負(fù)荷率外還有容差設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放寬半導(dǎo)體元器件的參數(shù)允許變化范圍，包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移、輻射導(dǎo)致的漂移等。以保證半導(dǎo)體元器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，開(kāi)關(guān)電源仍能正常工作。

　　5.1.2電容器

　　電容器的負(fù)荷率(工作電壓和額定電壓之比)最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8，并且盡量使用無(wú)極性電容器。而且，在高頻應(yīng)用的情況下，電壓降額幅度應(yīng)進(jìn)一步加大，對(duì)電解電容器更應(yīng)如此。應(yīng)特別注意，電容器有低壓失效的問(wèn)題，對(duì)于普通鋁電解電容器和無(wú)極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應(yīng)在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。

　　5.1.3電阻器、電位器

　　電阻器、電位器的負(fù)荷率要小于0.5,此為電阻器設(shè)計(jì)的上限值;但是大量試驗(yàn)證明，當(dāng)電阻器降額數(shù)低于0.1時(shí)，將得不到預(yù)期的效果，失效率有所增加，電阻降額系數(shù)以0.1為可靠性降額設(shè)計(jì)的下限值。

　　總之，對(duì)各種元器件的負(fù)荷率只要有可能，一般應(yīng)保持在0.3左右。最好不要超過(guò)0.5。這樣的負(fù)荷率，對(duì)電源系統(tǒng)造成不可靠的機(jī)率是非常小的。

　　5.2 電源的熱設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部過(guò)高的溫升將會(huì)導(dǎo)致溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%;溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開(kāi)關(guān)電源有大功率發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一，完整的熱設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：一 如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量;二 如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開(kāi)關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內(nèi)，以保證開(kāi)關(guān)電源的可靠性。下面將從這兩個(gè)方面論述。

　　5.2.1 控制發(fā)熱量的設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，提高平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)。開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開(kāi)關(guān)管的損耗由開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過(guò)選用低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減小通態(tài)損耗;開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗是由于柵電荷大小及開(kāi)關(guān)時(shí)間引起的，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗可以選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來(lái)減少。但更為重要的是通過(guò)設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減小損耗，如采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對(duì)交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會(huì)有更好的控制技術(shù)來(lái)減小損耗，可以通過(guò)選擇高質(zhì)量的二極管來(lái)減小損耗。對(duì)于變壓器二次側(cè)的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來(lái)減小損耗。對(duì)于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應(yīng)，對(duì)于趨膚效應(yīng)造成的影響，可采用多股細(xì)漆包線并繞的辦法來(lái)解決。

　　5.2.2 開(kāi)關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)

　　MOS管導(dǎo)通時(shí)有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關(guān)。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可表示為：

　　PD="Tj-Tc/RT"

　　式中，Tj 是額定結(jié)溫(Tj=150℃)，Tc是殼溫，RT是結(jié)到管殼間的穩(wěn)態(tài)熱阻，Tj代表器件的耐熱能力，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發(fā)熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。

　　散熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流。根據(jù)散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器;或選擇強(qiáng)制風(fēng)冷：加裝風(fēng)扇。加裝散熱器主要利用熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過(guò)傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過(guò)能流換熱的方式由空氣傳遞熱量，進(jìn)行散熱。

　　5.2.3 電源的散熱仿真

　　散熱仿真是開(kāi)發(fā)電源產(chǎn)品以及提供產(chǎn)品材料指南一個(gè)重要的組成部分。優(yōu)化模塊外形尺寸是終端設(shè)備設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，這就帶來(lái)了從金屬散熱片向 PCB 覆銅層散熱管理轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。當(dāng)今的一些模塊均使用較低的開(kāi)關(guān)頻率，用于開(kāi)關(guān)模式電源和大型無(wú)源組件。對(duì)于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路的電壓轉(zhuǎn)換和靜態(tài)電流而言，線性穩(wěn)壓器的效率較低。

　　隨著功能越來(lái)越豐富，性能越來(lái)越高，設(shè)備設(shè)計(jì)也變得日益緊湊，這時(shí) IC 級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的散熱仿真就顯得非常重要了。

　　一些應(yīng)用的工作環(huán)境溫度為70到125℃，并且一些裸片尺寸車(chē)載應(yīng)用的溫度甚至高達(dá) 140℃，就這些應(yīng)用而言，系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行非常重要。進(jìn)行電子設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，上述兩類(lèi)應(yīng)用的瞬態(tài)和靜態(tài)最壞情況下的精確散熱分析正變得日益重要。

　　散熱管理

　　散熱管理的難點(diǎn)在于要在獲得更高散熱性能、更高工作環(huán)境溫度以及更低覆銅散熱層預(yù)算的同時(shí)，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導(dǎo)致產(chǎn)生熱量組件較高的集中度，從而帶來(lái)在IC 級(jí)和封裝級(jí)極高的熱通量。

　　系統(tǒng)中需要考慮的因素包括可能會(huì)影響分析器件溫度、系統(tǒng)空間和氣流設(shè)計(jì)/限制條件等其他一些印刷電路板功率器件。散熱管理要考慮的三個(gè)層面分別為：封裝、電路板和系統(tǒng)(請(qǐng)參見(jiàn)圖 1)。

　　圖 1 IC 封裝中典型的熱傳遞路徑

　　低成本、小外形尺寸、模塊集成和封裝可靠性是選擇封裝時(shí)需要考慮的幾個(gè)方面。由于成本成為關(guān)鍵的考慮因素，因此基于引線框架的散熱增強(qiáng)封裝正日益受到人們的青睞。這種封裝包括內(nèi)嵌散熱片或裸露焊盤(pán)和均熱片型封裝，設(shè)計(jì)旨在提高散熱性能。在一些表面貼裝封裝中，一些專(zhuān)用引線框架在封裝的每一面均熔接幾條引線，以起到均熱器的作用。這種方法為裸片焊盤(pán)的熱傳遞提供了較好的散熱路徑。

　　IC 與封裝散熱仿真

　　散熱分析要求詳細(xì)、準(zhǔn)確的硅芯片產(chǎn)品模型和外殼散熱屬性。半導(dǎo)體供應(yīng)商提供硅芯片 IC 散熱機(jī)械屬性和封裝，而設(shè)備制造商則提供模塊材料的相關(guān)信息。產(chǎn)品用戶提供使用環(huán)境資料。

　　這種分析有助于 IC 設(shè)計(jì)人員對(duì)電源 FET 尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以適用于瞬態(tài)和靜態(tài)運(yùn)行模式中的最壞情況下的功耗。在許多電源電子 IC 中，電源 FET 都占用了裸片面積相當(dāng)大的一部分。散熱分析有助于設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

　　選用的封裝一般會(huì)讓部分金屬外露，以此來(lái)提供硅芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關(guān)鍵參數(shù)如下：

　　硅芯片尺寸縱橫比和芯片厚度。

　　功率器件面積和位置，以及任何發(fā)熱的輔助驅(qū)動(dòng)電路。

　　電源結(jié)構(gòu)厚度(硅芯片內(nèi)分散情況)。

　　硅芯片連接至外露金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的裸片連接面積與厚度?？赡馨闫B接材料氣隙百分比。

　　外露金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的面積和厚度。

　　使用鑄模材料和連接引線的封裝尺寸。

　　需提供模型所用每一種材料的熱傳導(dǎo)屬性。這種數(shù)據(jù)輸入還包括所有熱傳導(dǎo)屬性的溫度依賴(lài)性變化，這些傳導(dǎo)屬性具體包括：

　　硅芯片熱傳導(dǎo)性

　　裸片連接、鑄模材料的熱傳導(dǎo)性

　　金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的熱傳導(dǎo)性。

　　封裝類(lèi)型 (packageproduct) 和 PCB 相互作用

　　散熱仿真的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)是確定焊盤(pán)到散熱片材料的熱阻，其確定方法主要有以下幾種：

　　多層 FR4 電路板(常見(jiàn)的為四層和六層電路板)

　　單端電路板

　　頂層及底層電路板

　　散熱和熱阻路徑根據(jù)不同的實(shí)施方法而各異：

　　連接至內(nèi)部散熱片面板的散熱焊盤(pán)或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤(pán)或突起連接處連接至 PCB 頂層。

　　位于外露散熱焊盤(pán)或突起連接處下方PCB 上的一個(gè)開(kāi)口，可以和連接至模塊金屬外殼的伸出散熱片基座相連。

　　利用金屬螺釘將散熱層連接至金屬外殼的 PCB 頂部或底部覆銅層上的散熱片。使用焊料將外露散熱焊盤(pán)或突起連接處連接至 PCB 的頂層。

　　另外，每層 PCB 上所用鍍銅的重量或厚度非常關(guān)鍵。就熱阻分析而言，連接至外露焊盤(pán)或突起連接處的各層直接受這一參數(shù)的影響。一般而言，這就是多層印刷電路板中的頂部、散熱片和底部層。

　　大多數(shù)應(yīng)用中，其可以是兩盎司重的覆銅(2 盎司銅=2.8 mils或 71 μm)外部層，以及1盎司重的覆銅(1盎司銅= 1.4 mils 或 35μm)內(nèi)部層，或者所有均為 1 盎司重的覆銅層。在消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用中，一些應(yīng)用甚至?xí)褂?0.5 盎司重的覆銅(0.5 盎司銅= 0.7 mils 或 18 μm)層。

　　模型資料

　　仿真裸片溫度需要一張 IC 平面布置圖，其中包括裸片上所有的電源FET 以及符合封裝焊接原則的實(shí)際位置。

　　每一個(gè) FET 的尺寸和縱橫比，對(duì)熱分布都非常重要。需要考慮的另一個(gè)重要因素是 FET 是否同時(shí)或順序上電。模型精度取決于所使用的物理數(shù)據(jù)和材料屬性。

　　模型的靜態(tài)或平均功耗分析只需很短的計(jì)算時(shí)間，并且一旦記錄到最高溫度時(shí)便出現(xiàn)收斂。

　　瞬態(tài)分析要求功耗-時(shí)間對(duì)比數(shù)據(jù)。我們使用了比開(kāi)關(guān)電源情況更好的解析步驟來(lái)記錄數(shù)據(jù)，以精確地對(duì)快速功率脈沖期間的峰值溫度上升進(jìn)行捕獲。這種分析一般費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，且要求比靜態(tài)功率模擬更多的數(shù)據(jù)輸入。

　　該模型可仿真裸片連接區(qū)域的環(huán)氧樹(shù)脂氣孔，或 PCB 散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下，環(huán)氧樹(shù)脂/鍍層氣孔都會(huì)影響封裝的熱阻(請(qǐng)參見(jiàn)圖 2)。

　　圖 2 熱傳遞的熱阻路徑

　　散熱定義

　　Θja—表示周?chē)鸁嶙璧穆闫Y(jié)點(diǎn)，通常用于散熱封裝性能對(duì)比。

　　· Θjc—表示外殼頂部熱阻的裸片結(jié)點(diǎn)。

　　· Θjp—表示外露散熱焊盤(pán)熱阻的芯片結(jié)點(diǎn)，通常用于預(yù)測(cè)裸片結(jié)點(diǎn)溫度的較好參考。

　　Θjb—表示一條引線熱阻路徑下電路板的裸片結(jié)點(diǎn)。

　　PCB 與模塊外殼的實(shí)施

　　數(shù)據(jù)表明需要進(jìn)行一些改動(dòng)來(lái)降低頂部層附近裸片上的 FET 最高溫度，以防止熱點(diǎn)超出 150C 的 T 結(jié)點(diǎn)(請(qǐng)參見(jiàn)圖 3)。系統(tǒng)用戶可以選擇控制該特定序列下的功率分布，以此來(lái)降低裸片上的功率溫度。

　　圖 3 由散熱仿真得到的一個(gè)結(jié)果示例

　　散熱仿真是開(kāi)發(fā)電源產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分。此外，其還能夠指導(dǎo)您對(duì)熱阻參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，涵蓋了從硅芯片 FET 結(jié)點(diǎn)到產(chǎn)品中各種材料實(shí)施的整個(gè)范圍。一旦了解了不同的熱阻路徑之后，我們便可以對(duì)許多系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以適用于所有應(yīng)用。

　　該數(shù)據(jù)還可以被用于確定降額因子與環(huán)境運(yùn)行溫度升高之間相關(guān)性的準(zhǔn)則。這些結(jié)果可用來(lái)幫助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)其設(shè)計(jì)。