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工程师教你如何规划直流开关电源模块?

 如果你是个直流开关电源工程师,关于直流开关电源模块的简介就不必看了。如果你都是小白,或是学单片机的,最好一个字一个字往下看。
直流开关电源模块是能够直接贴装在印刷电路板上的直流开关电源供给器 (见图1),其特点是可为专用集成电路(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供给供电。一般来说,这类模块称为负载点 (POL) 直流开关电源供给体系或运用点直流开关电源供给体系 (PUPS)。因为模块式结构的长处甚多,因而高性能电信、网络联络及数据通信等体系都广泛选用各种模块。尽管选用模块有许多长处,但工程师规划直流开关电源模块致使大部分板上直流/直流变换器时,往往疏忽牢靠性及丈量方面的问题。本文将深入探讨这些问题,并分别提出相关的解决方案。
直流开关电源供给器

图1,直流开关电源供给器

选用直流开关电源模块的长处
现在不同的供给商在商场上推出多种不同的直流开关电源模块,而不同产品的输入电压、输出功率、功用及拓扑结构等都各不相同。选用直流开关电源模块能够节约开发时刻,使产品能够更快推出商场,因而直流开关电源模块比集成式的解决方案优胜。直流开关电源模块还有以下多个长处:“
● 每一模块能够分别加以严厉测验,以确保其高度牢靠,其间包含通电 测验,以便除掉不合规格的产品。相较之下,集成式的解决方案便较难测验,因为整个供电体系与电路上的其他功用体系紧密联络一同。  
● 不同的供给商能够依照现有的技能规范规划同一巨细的模块,为规划直流开关电源供给器的工程师供给多种不同的挑选。  
● 每一模块的规划及测验都依照规范性能的规则进行,有助削减选用新技能所接受的危险。  
● 若选用集成式的解决方案,一旦直流开关电源供给体系呈现问题,便需求将整块主机板替换;若选用模块式的规划,只需将问题模块替换便可,这样有助节约本钱及开发时刻。
容易被疏忽的直流开关电源模块规划问题
尽管选用模块式的规划有以上的多个长处,但模块式规划致使板上直流/直流变换器规划也有自身的问题,许多人对这些问题知道缺乏,或不给予满足的注重。以下是其间的部分问题:

● 输出噪音的丈量;  
● 磁力体系的规划;  
● 同步降压变换器的击穿现象;  
● 印刷电路板的牢靠性。
这些问题会将鄙人文中逐个加以评论,一同还会介绍多种可解决这些问题的简略技能。

输出噪音的丈量技能
一切选用开关形式的直流开关电源供给器都会输出噪音。开关频率越高,便越需求选用正确的丈量技能,以确保所丈量的数据精确牢靠。丈量输出噪音及其他重要数据时,能够选用图2所示的 Tektronix 探针探头 (一般称为冷喷嘴探头),以确保丈量数字精确牢靠,并且契合猜测。这种丈量技能也确保接地环路可减至最小。

 
直流开关电源测量输出噪音数字
图2,测量输出噪音数字
  
进行测量时我们也要将丈量外表可能会呈现传达推迟这个要素核算在内。大部分电流探头的传达推迟都大于电压探头。因而有必要一同显示电压及电流波形的丈量便无法确保丈量数字的精确度,除非运用人手将不同的推迟加以均衡。  
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。关于高频的电路规划来说,因为电路可接受的电感不能超过1mH,因而,经由探头输入的电感会影响 di/dt 电流丈量的精确性,乃至令丈量数字呈现很大的误差。若电感器已饱满,则可选用另一更为精确的方法丈量电流量,例如,我们能够丈量与电感器串行一同的小型分路电阻的电压。

磁学的规划
磁心是否牢靠是另一个常常被人疏忽的问题。大部分输出电感器都选用铁粉磁心,因为铁粉是本钱最低的物料。铁粉磁心的成份之中大约有 95% 属纯铁粒,而这些铁粉粒运用有机胶合剂粘合一同。这些胶合剂也将每一铁粉粒分隔,使磁心表里满布透气空间。  
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牢靠性,影响程度视乎所含杂质的数量。我们能够运用光谱电子显微镜 (SEM) 细心查看磁心的截面,以便断定杂质的相对散布状况。磁心是否牢靠,关键在于材料是否能够猜测以及其供给是否安稳牢靠。  
若铁粉磁心长时刻处于高温环境之中,磁心损耗可能会添加,并且损耗一旦增多,便永远无法复原,因为有机胶合剂呈现份子分解,令涡流损耗添加。这种现象可称为热老化,最终可能会引致磁心呈现热失控。  
磁心损耗的巨细受交流电通量密度、操作频率、磁心巨细及物料类别等多个不同要素影响。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,致使功率也会受影响而跌落。发生涡流损耗的原因是以铁磁物质形成的物体受不一同刻的不同磁通影响令物体内发生循环不息的电流。我们只需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 就是这样的一种磁心。其他的铁磁产品供给商如 Magnetics 也出产以磁带绕成的磁心。  
Micrometals  等磁心产品供给商特别为规划磁性产品的工程师供给有关磁心受热老化的最新资料及核算方法。选用无机胶合剂的铁粉磁心不会有受热老化的状况呈现。商场上已有这类磁心出售,Micrometals 的 200C 系列磁心便归于这类产品。

同步降压变换器的击穿现象
负载点直流开关电源供给体系 (POL) 或运用点直流开关电源供给体系 (PUPS) 等供电体系都广泛选用同步降压变换器 (图3)。这种同步降压变换器选用高端及低端的 MOSFET 替代传统降压变换器的箝位二极管,以便下降负载电流的损耗。
直流开关电源同步降压变换器

图3,直流开关电源同步降压变换器
  
工程师规划降压变换器时常常忽视“击穿”的问题。每逢高端及低端 MOSFET 一同全面或部分发动时,便会呈现“击穿”的现象,使输入电压能够将电流直接输送到接地。  
击穿现象会导致电流在开关的一会儿呈现尖峰,令变换器无法发挥其最高的功率。我们不行选用电流探头丈量击穿的状况,因为探头的电感会严峻搅扰电路的操作。我们能够查看两个场效应晶体管 (FET) 的门极/源极电压,看看是否有尖峰呈现。这是另一个检测击穿现象的方法。(上层 MOSFET 的门极/源极电压能够运用差分方法加以监测。)
  
我们能够运用以下的方法削减击穿现象的呈现。  
选用设有“固定死区时刻”的控制器芯片是其间一个可行的方法。这种控制器芯片能够确保上层 MOSFET 封闭之后会呈现一段推迟时刻,才让下层 MOSFET 重新发动。这个方法较为简略,但真实实行时则要很当心。若死区时刻太短,可能无法阻挠击穿现象的呈现。若死区时刻太长,电导损耗便会添加,因为底层场效应晶体管内置的二极管在整段死区时刻内一直在发动。因为这个二极管会在死区时刻内导电,因而选用这个方法的体系功率便取决于底层 MOSFET 的内置二极管的特性。  
另一个削减击穿的方法是选用设有“自适应死区时刻”的控制器芯片。这个方法的长处是能够不断监测上层 MOSFET 的门极/源极电压,以便断定何时才发动底层 MOSFET。  
高端 MOSFET 发动时,会通过电感感应令低端 MOSFET 的门极呈现 dv/dt 尖峰,致使推高门极电压 (图4)。若门极/源极电压高至足以将之发动,击穿现象便会呈现。

 
直流开关电源呈现在低端MOSFET的dv/dt感生电平振幅
图4,直流开关电源呈现在低端MOSFET的dv/dt感生电平振幅
  
自适应死区时刻控制器担任在外面监测 MOSFET 的门极电压。因而,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,致使门极电压实际上会比控制器监控的电压高。  
猜测性门极驱动是另一个可行的方案,方法是运用数字反应电路检测内置二极管的导电状况以及调节死区时刻推迟,以便将内置二极管的导电减至最少,确保体系能够发挥最高的功率。若选用这个方法,控制器芯片需求添加更多引脚,致使芯片及直流开关电源模块的本钱会添加。  
有一点需求留意,即便选用猜测性门极驱动,也无法确保场效应晶体管不会因为 dv/dt 的电感感应而发动。
推迟高端 MOSFET 的发动也有助削减击穿状况呈现。尽管这个方法能够削减或完全消除击穿现象,但缺陷是开关损耗较高,而功率也会下降。我们若选用较好的 MOSFET,也有助缩小呈现在底层 MOSFET 门极的 dv/dt 电感电压振幅。Cgs 与 Cgd 之间的比率越高,在 MOSFET 门极上呈现的电感电压便越低。
  击穿的测验状况常常被人疏忽,例如在负载瞬态进程中——尤其是每逢负载已免除或突然削减时——控制器会不断发生窄频脉冲。现在大部分高电流体系都选用多相位规划,运用驱动器芯片驱动 MOSFET。但选用驱动器芯片会令击穿问题更为杂乱,尤其是当负载处于瞬态进程之中。例如,窄频驱动脉冲的搅扰,再加上驱动器呈现传达推迟,都会导致击穿状况的呈现。
  大部分驱动器芯片出产商都特别规则控制器的脉冲宽度有必要不行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,出产商也为驱动器芯片别的加设可设定死区时刻 (TRT) 的功用,以增强自适应变换守时的精确性。方法是在可设定死区时刻引脚与接地之间加设一个可用以设定死区时刻的电阻,以断定高低端变换进程中的死区时刻。这个死区时刻设定功用加上传达推迟可将处于变换进程中的互补性 MOSFET 封闭,避免同步降压变换器呈现击穿状况。

牢靠性
任何模块都有必要在前期阶段通过严厉的测验,以确保规划完善牢靠,避免在出产进程中的最终阶段才呈现意想不到的问题。有关模块有必要能够在客户的体系之中进行测验,以确保一切有可能导致体系呈现毛病的相关要素,例如散热扇毛病、散热扇间歇性中止等问题都能给予充沛的考虑。选用涣散式结构的工程师都期望所规划的体系能够接连运用许多年而很少或乃至不会呈现毛病。因为测验数字显示直流开关电源模块的 MTBF 高达几百万小时,要到达这个方针并不怎样困难。
  但常常被人疏忽的反而是印刷电路板的牢靠性问题。照现在的趋势看,印刷电路板的面积越缩越小,但需求处理的电流量则越来越大,因而电流密度的添加可能会引致荫蔽式或其他通孔无法执行正常功用。
  印刷电路板有部分荫蔽通孔有必要传送很多电流,关于这些荫蔽通孔来说,其周围有必要有满足的铜造防护设备为其供给保护,以确保规划更牢靠经用。这种防护设备也可抑制 z 轴的受热胀大幅度,若非如此,出产进程中以及产品运用时印刷电路板的环境温度一旦有什么改变,荫蔽通孔便会外露。工程师有必要参考印刷电路板厂商的专业定见,完全复检印刷电路板的规划,而印刷电路板厂商能够依据他们的出产能力供给有关印刷电路板规划牢靠性的专业定见。 

总结
我们若要运用直流开关电源模块组成牢靠的直流开关电源供给体系,便有必要解决规划牢靠性的问题。上文会集评论几个首要问题,其间包含铁粉磁心的牢靠性、磁体系的特性、同步降压变换器的击穿现象以及高电流体系印刷电路板的牢靠性等问题。

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