電源作為電路系統(tǒng)的“心臟”，其重要性是顯而易見的。在選擇電源模塊時，除了要考慮輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波&噪聲等性能特性外，還需針對其高低溫性能和降額設(shè)計進(jìn)行可靠性測試。

 

電源可以說是電路系統(tǒng)的“心臟”，為各級電路提供“血液”，其重要性是顯而易見的。那么如何有效的選擇一款高性能高可靠性的電源模塊呢？我們首先會關(guān)注電源模塊的輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波&噪聲等輸入輸出特性，判斷是否滿足自己的使用要求，甚至參照數(shù)據(jù)手冊一一對照測試各項(xiàng)指標(biāo)，判斷是否和宣稱的一致。但對于電源模塊的可靠性來說，做完這些還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有兩個方面是需要深挖測試的，那就是高低溫性能和降額設(shè)計。

 

1、高低溫性能

一般在不同的使用領(lǐng)域，對電源模塊的工作溫度范圍要求各異：

 

 

高低溫測試是用來確定產(chǎn)品在低溫、高溫兩個極端氣候環(huán)境條件下的適應(yīng)性和一致性，檢查設(shè)計余量是否足夠。因?yàn)樵骷奶匦栽诘蜏亍⒏邷氐臈l件下會發(fā)生一定的變化，性能參數(shù)具有溫度漂移特性。所以往往很多電源模塊在常溫測試通過，一旦拿到高低溫環(huán)境測試就發(fā)現(xiàn)工作不正常或者性能參數(shù)明顯下降。同時通過長時間高溫老化可以使元器件的缺陷、焊接和裝配等生產(chǎn)過程中存在的隱患提前暴露出來。

 

電源模塊常見的低溫和高溫不良的現(xiàn)象有：

(1)工作振蕩，輸出電壓紋波和噪聲變大，頻率發(fā)生改變，嚴(yán)重的甚至輸出電壓跳變，模塊嘯叫。

 

(2)啟動不良，如啟動時輸出電壓升上波形有明顯掉溝，輸出電壓不穩(wěn)定，甚至模塊完全啟動失效。

 

(3)帶容性負(fù)載能力減弱，無法帶最大容性負(fù)載啟動。

 

(4)啟動時輸出電壓過沖幅度變大，超出規(guī)定范圍。

 

(5)重載或滿載工作時輸出電壓明顯降低。

 

(6)高溫老化損壞，模塊沒有輸出。

 

所以，可靠性高的電源模塊必須保證在高低溫等極端條件下工作正常，滿足性能參數(shù)要求。

 

2、降額設(shè)計

降額設(shè)計是將元器件進(jìn)行降額使用，就是使電子元器件的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，降額使用的器件可延緩和減小其退化，提高了器件的可靠性，從而也提高了模塊的可靠性。電子元器件的故障率對電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，所以降額設(shè)計主要也是針對這三個方面。電子元器件的降額等級可以參考《國家軍用標(biāo)準(zhǔn)——元器件降額準(zhǔn)則GJB/Z35-93》，一般可分成三個降額等級： 

 

(1)Ⅰ級降額：I 級降額是最大的降額，適用于設(shè)備故障將會危及安全，導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的情況。

 

(2)Ⅱ級降額：工作應(yīng)力減小對元器件可靠性增長有明顯效益，適用于設(shè)備故障會使工作任務(wù)降級，或需支付不合理的維修費(fèi)用。 

 

(3)Ⅲ級降額：Ⅲ級降額是最小的降額，相對來說元器件成本也較低。適用于設(shè)備故障對工作任務(wù)的完成只有小的影響，或可迅速、經(jīng)濟(jì)地加以修復(fù)。

下表所示是電源模塊常用的一些關(guān)鍵元器件的降額參數(shù)要求：

 

 

對于電源模塊的應(yīng)力設(shè)計，重點(diǎn)關(guān)注場效應(yīng)管(MOS管)、二極管、變壓器、功率電感、電解電容、限流電阻等。保證全電壓范圍內(nèi)在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、短路等各種極限條件下都能有足夠的降額，以保障產(chǎn)品的可靠性。例如對于某Vds最高電壓為100V的MOS管，作為電源模塊的主功率開關(guān)管，實(shí)測其在最高輸入電壓下的各種狀態(tài)(如圖1～3所示)，最高Vds=67.2V，降額因子0.672，滿足Ⅰ級降額，余量很充足。

 

圖1 穩(wěn)態(tài)工作時MOS管波形Vds_max=57.2V       

 

圖2 輸出短路時MOS管波形Vds_max=67.2V

 

圖3 起機(jī)瞬態(tài)時MOS管波形Vds_max=59V

   

由于電源模塊越趨于小型化，功率密度相應(yīng)越來越高，電源模塊有關(guān)熱設(shè)計方面的問題尤其突出。特別是對使用有電解電容的電源模塊，高溫會使電解電容的電解液加速消耗，大大減少電解電容的壽命。高溫會使元器件材料加速老化，例如使得變壓器漆包線的絕緣特性降低，導(dǎo)致絕緣耐壓不良甚至造成匝間短路。因此好的熱設(shè)計不僅可延長電源模塊和其周圍元器件的使用壽命，還可使整個產(chǎn)品發(fā)熱均勻，減少故障的發(fā)生。

   

電源模塊熱設(shè)計的基本任務(wù)是：通過熱設(shè)計在滿足性能要求的前提下盡可能減少模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，減少熱阻，選擇合理的冷卻方式。發(fā)熱元器件要盡可能使其分散布局。設(shè)計PCB板時要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導(dǎo)。對于大功率的貼片元器件，可以采用大面積敷銅箔的方式，以加大PCB的散熱面積。電源模塊內(nèi)部可通過填充導(dǎo)熱硅膠和樹脂等來降低模塊內(nèi)部元器件的溫升。對于體積較大的電源模塊，可以使用散熱片進(jìn)行散熱，增加對流和輻射的表面積從而大大地改善了電子器件的散熱效果。

   

對于還沒灌封的電源模塊，可以采用紅外熱成像儀對整個電源模塊進(jìn)行“面”的測溫，紅外熱成像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。然后經(jīng)過分析，再采用熱電偶配合數(shù)據(jù)采集設(shè)備重點(diǎn)對MOS管，整流二極管，變壓器等溫升高的關(guān)鍵元器件進(jìn)行“點(diǎn)”的測溫。從面到點(diǎn)，嚴(yán)格測試，保證元器件的溫度降額滿足要求。

 

圖4 某電源模塊常溫下的熱成像圖

   

例如對于某電源模塊，常溫長時間工作后采用紅外熱成像儀測試其表面溫度如圖4所示，其中MOS管常溫不灌封實(shí)測的最高溫度為85.5℃，然后采用熱電偶配合數(shù)據(jù)采集儀對填充灌封膠的成品在高溫條件下測試其各種情況下的溫度，最高為97.2℃，對于最高溫度為175℃的MOS管，其溫度降額滿足Ⅰ級降額。

     

所以除了基本性能參數(shù)測試，全面的高低溫測試，電應(yīng)力和熱應(yīng)力測試，保證足夠的降額設(shè)計要求，并通過長時間的老化測試，才可以判斷電源模塊是否安全可靠石家莊卓軒電子科技有限公司自主研發(fā)的電源模塊，都是通過嚴(yán)格的降額設(shè)計和全面的高低溫測試的，產(chǎn)品性能和可靠性有足夠的保障。例如以上所舉例子，就是我司ZX系列某型號的部分測試數(shù)據(jù)，該系列產(chǎn)品輸入電壓范圍寬、效率高、溫升低、穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，電力，通訊、醫(yī)療、儀表儀器和汽車電子等眾多領(lǐng)域。