设计电源模块这些必须考虑!

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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箝位二极管,以便降低负载电流的损耗。

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  图3,同步降压转换器


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。)

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。

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  图4,出现在低端MOSFET的dv/dt感生电平振幅


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

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

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。

 

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