电源模块的设计优点和缺点

电源模块设计分析

Khanna

作者： Ramesh

美国国家半导体首席应用技术工程师

图1：电源供应

电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器 (参看图1)，其特点是可为特殊应用集成电路（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提供供电。一般来说，这类模块称为负载点电源供应系统 (POL) 或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点甚多，因此高性能电信、网络联系及数据通信等系统都广泛采用各种模块。虽然采用模块有很多优点，但工程师设计电源模块以至大部分板上直流/直流转换器时，往往忽略可靠性及测量方面的问题。下文将会审视这些问题，并分别提出相关的解决方案。

采用电源模块的优点

目前不同的供应商在市场上推出多种不同的电源模块，而不同产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同。采用电源模块可以节省开发时间，使产品可以更快推出市场，因此电源模块比集成式的解决方案优胜。电源模块还有以下多个优点：

• 每一模块可以分别加以严格测试，以确保其高度可靠，其中包括通电测试，以便剔除不合规格的产品。相较之下，集成式的解决方案便较难测试，因为整个供电系统与电路上的其他功能系统紧密联系一起。

• 不同的供应商可以按照现有的技术标准设计同一大小的模块，为设计电源供应器的工程师提供多种不同的选择。

• 每一模块的设计及测试都按照标准性能的规定进行，有助减少采用新技术所承受的风险

• 若采用集成式的解决方案，一旦电源供应系统出现问题，便需要将整块主机板更换；若采用模块式的设计，只要将问题模块更换便可，这样有助节省成本及开发时间

经常被忽略的电源模块设计问题

虽然采用模块式的设计有以上的多个优点，但模块式设计以至板上直流/直流转换器设计也有本身的问题，很多人对这些问题认识不足，或不给予足够的重视。以下是其中的部分问题：

• 输出噪音的测量

• 磁力系统的设计

• 同步降压转换器的击穿现象

• 印刷电路板的可靠性

这些问题会在下文一一加以讨论，下文还会介绍多种可解决这些问题的简单技术。

输出噪音的测量技术

所有采用开关模式的电源供应器都会输出噪音。开关频率越高，便越需要采用正确的测量技术，以确保所量度的数据准确可靠。量度输出噪音及其他重要数据时，可以采用图 2 所示的 Tektronix 探针探头 (一般称为冷喷嘴探头)，以确保测量数字准确可靠，而且符合预测。这种测量技术也确保接地环路可减至最小。

图 2：测量输出噪音数字

进行测量时我们也要将测量仪表可能会出现传播延迟这个因素计算在内。大部分电流探头的传播延迟都大于电压探头。因此必须同时显示电压及电流波形的测量便无法确保测量数字的准确度，除非利用人手将不同的延迟加以均衡。

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。对于高频的电路设计来说，由于电路可承受的电感不能超过 1μH，因此，经由探头输入的电感会影响 di/dt 电流测量的准确性，甚至令测量数字出现很大的误差。若电感器已饱和，则可采用另一更为准确的方法测量电流量，例如，我们可以测量与电感器串行一起的小型分路电阻的电压。

磁学的设计

磁心是否可靠是另一个经常被人忽略的问题。大部分输出电感器都采用铁粉磁心，因为铁粉是成本最低的物料。铁粉磁心的成份之中大约有 95% 属纯铁粒，而这些铁粉粒利用有机胶合剂粘合一起。这些胶合剂也将每一铁粉粒分隔，使磁心内外满布透气空间。

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可靠性，影响程度视乎所含杂质的数量。我们可以利用光谱电子显微镜 (SEM) 仔细查看磁心的截面，以便确定杂质的相对分布情况。磁心是否可靠，关键在于材料是否可以预测以及其供应是否稳定可靠。

若铁粉磁心长期处于高温环境之中，磁心损耗可能会增加，而且损耗一旦增多，便永远无法复原，因为有机胶合剂出现份子分解，令涡流损耗增加。这种现象可称为热老化，最后可能会引致磁心出现热失控。

磁心损耗的大小受交流电通量密度、操作频率、磁心大小及物料类别等多个不同因素影响。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，以致效率也会受影响而下跌。产生涡流损耗的原因是以铁磁物质造成的物体受不同时间的不同磁通影响令物体内产生循环不息的电流。我们只要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 便是这样的一种磁心。其他的铁磁产品供应商如 Magnetics Inc 也生产以磁带绕成的磁心。

Micrometals () 等磁心产品供应商特别为设计磁性产品的工程师提供有关磁心受热老化的最新资料及计算方式。采用无机胶合剂的铁粉磁心不会有受热老化的情况出现。市场上已有这类磁心出售，Micrometals 的 200C 系列磁心便属于这类产品。

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钳位二极管，以便降低负载电流的损耗。

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。)