如果你是個直流開關電源工程師，關于直流開關電源模塊的簡介就不必看了。如果你都是小白，或是學單片機的，最好一個字一個字往下看。
直流開關電源模塊是能夠直接貼裝在印刷電路板上的直流開關電源供給器 (見圖1)，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載供給供電。一般來說，這類模塊稱為負載點 (POL) 直流開關電源供給體系或運用點直流開關電源供給體系 (PUPS)。因為模塊式結構的長處甚多，因而高性能電信、網絡聯(lián)絡及數(shù)據通信等體系都廣泛選用各種模塊。盡管選用模塊有許多長處，但工程師規(guī)劃直流開關電源模塊致使大部分板上直流/直流變換器時，往往疏忽牢靠性及丈量方面的問題。本文將深入探討這些問題，并分別提出相關的解決方案。
圖1，直流開關電源供給器
選用直流開關電源模塊的長處
現(xiàn)在不同的供給商在商場上推出多種不同的直流開關電源模塊，而不同產品的輸入電壓、輸出功率、功用及拓撲結構等都各不相同。選用直流開關電源模塊能夠節(jié)約開發(fā)時刻，使產品能夠更快推出商場，因而直流開關電源模塊比集成式的解決方案優(yōu)勝。直流開關電源模塊還有以下多個長處：“
● 每一模塊能夠分別加以嚴厲測驗，以確保其高度牢靠，其間包含通電 測驗，以便除掉不合規(guī)格的產品。相較之下，集成式的解決方案便較難測驗，因為整個供電體系與電路上的其他功用體系緊密聯(lián)絡一同。
● 不同的供給商能夠依照現(xiàn)有的技能規(guī)范規(guī)劃同一巨細的模塊，為規(guī)劃直流開關電源供給器的工程師供給多種不同的挑選?！ ?/span>
● 每一模塊的規(guī)劃及測驗都依照規(guī)范性能的規(guī)則進行，有助削減選用新技能所接受的危險?！ ?/span>
● 若選用集成式的解決方案，一旦直流開關電源供給體系呈現(xiàn)問題，便需求將整塊主機板替換；若選用模塊式的規(guī)劃，只需將問題模塊替換便可，這樣有助節(jié)約本錢及開發(fā)時刻。
容易被疏忽的直流開關電源模塊規(guī)劃問題
盡管選用模塊式的規(guī)劃有以上的多個長處，但模塊式規(guī)劃致使板上直流/直流變換器規(guī)劃也有自身的問題，許多人對這些問題知道缺乏，或不給予滿足的注重。以下是其間的部分問題：
● 輸出噪音的丈量；
● 磁力體系的規(guī)劃；
● 同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象；
● 印刷電路板的牢靠性。
這些問題會將鄙人文中逐個加以評論，一同還會介紹多種可解決這些問題的簡略技能。
輸出噪音的丈量技能
一切選用開關形式的直流開關電源供給器都會輸出噪音。開關頻率越高，便越需求選用正確的丈量技能，以確保所丈量的數(shù)據精確牢靠。丈量輸出噪音及其他重要數(shù)據時，能夠選用圖2所示的 Tektronix 探針探頭 (一般稱為冷噴嘴探頭)，以確保丈量數(shù)字精確牢靠，并且契合猜測。這種丈量技能也確保接地環(huán)路可減至最小。
圖2，測量輸出噪音數(shù)字
進行測量時我們也要將丈量外表可能會呈現(xiàn)傳達推遲這個要素核算在內。大部分電流探頭的傳達推遲都大于電壓探頭。因而有必要一同顯示電壓及電流波形的丈量便無法確保丈量數(shù)字的精確度，除非運用人手將不同的推遲加以均衡。
電流探頭也會將電感輸入電路之內。典型的電流探頭會輸入 600nH 的電感。關于高頻的電路規(guī)劃來說，因為電路可接受的電感不能超過1mH，因而，經由探頭輸入的電感會影響 di/dt 電流丈量的精確性，乃至令丈量數(shù)字呈現(xiàn)很大的誤差。若電感器已飽滿，則可選用另一更為精確的方法丈量電流量，例如，我們能夠丈量與電感器串行一同的小型分路電阻的電壓。
磁學的規(guī)劃
磁心是否牢靠是另一個常常被人疏忽的問題。大部分輸出電感器都選用鐵粉磁心，因為鐵粉是本錢最低的物料。鐵粉磁心的成份之中大約有 95% 屬純鐵粒，而這些鐵粉粒運用有機膠合劑粘合一同。這些膠合劑也將每一鐵粉粒分隔，使磁心表里滿布透氣空間?！ ?/span>
鐵粉是構成磁心的原材料，但鐵粉含有小量的雜質如錳及鉻，而這些雜質會影響磁心的牢靠性，影響程度視乎所含雜質的數(shù)量。我們能夠運用光譜電子顯微鏡 (SEM) 細心查看磁心的截面，以便斷定雜質的相對散布狀況。磁心是否牢靠，關鍵在于材料是否能夠猜測以及其供給是否安穩(wěn)牢靠。
若鐵粉磁心長時刻處于高溫環(huán)境之中，磁心損耗可能會添加，并且損耗一旦增多，便永遠無法復原，因為有機膠合劑呈現(xiàn)份子分解，令渦流損耗添加。這種現(xiàn)象可稱為熱老化，最終可能會引致磁心呈現(xiàn)熱失控?！ ?/span>
磁心損耗的巨細受交流電通量密度、操作頻率、磁心巨細及物料類別等多個不同要素影響。以高頻操作為例來說，大部分損耗屬渦流損耗。若以低頻操作，磁滯損耗反而是最大的損耗。
渦流損耗會令磁心受熱，致使功率也會受影響而跌落。發(fā)生渦流損耗的原因是以鐵磁物質形成的物體受不一同刻的不同磁通影響令物體內發(fā)生循環(huán)不息的電流。我們只需選用一片片的鐵磁薄片而非實心鐵磁作為磁心的物料，便可減低渦流損耗。例如，以磁帶繞成的 Metglas 就是這樣的一種磁心。其他的鐵磁產品供給商如 Magnetics 也出產以磁帶繞成的磁心?！ ?/span>
Micrometals 等磁心產品供給商特別為規(guī)劃磁性產品的工程師供給有關磁心受熱老化的最新資料及核算方法。選用無機膠合劑的鐵粉磁心不會有受熱老化的狀況呈現(xiàn)。商場上已有這類磁心出售，Micrometals 的 200C 系列磁心便歸于這類產品。
同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象
負載點直流開關電源供給體系 (POL) 或運用點直流開關電源供給體系 (PUPS) 等供電體系都廣泛選用同步降壓變換器 (圖3)。這種同步降壓變換器選用高端及低端的 MOSFET 替代傳統(tǒng)降壓變換器的箝位二極管，以便下降負載電流的損耗。
圖3，直流開關電源同步降壓變換器
工程師規(guī)劃降壓變換器時常常忽視“擊穿”的問題。每逢高端及低端 MOSFET 一同全面或部分發(fā)動時，便會呈現(xiàn)“擊穿”的現(xiàn)象，使輸入電壓能夠將電流直接輸送到接地。
擊穿現(xiàn)象會導致電流在開關的一會兒呈現(xiàn)尖峰，令變換器無法發(fā)揮其最高的功率。我們不行選用電流探頭丈量擊穿的狀況，因為探頭的電感會嚴峻攪擾電路的操作。我們能夠查看兩個場效應晶體管 (FET) 的門極/源極電壓，看看是否有尖峰呈現(xiàn)。這是另一個檢測擊穿現(xiàn)象的方法。(上層 MOSFET 的門極/源極電壓能夠運用差分方法加以監(jiān)測。)
我們能夠運用以下的方法削減擊穿現(xiàn)象的呈現(xiàn)?！ ?/span>
選用設有“固定死區(qū)時刻”的控制器芯片是其間一個可行的方法。這種控制器芯片能夠確保上層 MOSFET 封閉之后會呈現(xiàn)一段推遲時刻，才讓下層 MOSFET 重新發(fā)動。這個方法較為簡略，但真實實行時則要很當心。若死區(qū)時刻太短，可能無法阻撓擊穿現(xiàn)象的呈現(xiàn)。若死區(qū)時刻太長，電導損耗便會添加，因為底層場效應晶體管內置的二極管在整段死區(qū)時刻內一直在發(fā)動。因為這個二極管會在死區(qū)時刻內導電，因而選用這個方法的體系功率便取決于底層 MOSFET 的內置二極管的特性。
另一個削減擊穿的方法是選用設有“自適應死區(qū)時刻”的控制器芯片。這個方法的長處是能夠不斷監(jiān)測上層 MOSFET 的門極/源極電壓，以便斷定何時才發(fā)動底層 MOSFET。
高端 MOSFET 發(fā)動時，會通過電感感應令低端 MOSFET 的門極呈現(xiàn) dv/dt 尖峰，致使推高門極電壓 (圖4)。若門極/源極電壓高至足以將之發(fā)動，擊穿現(xiàn)象便會呈現(xiàn)。
圖4，直流開關電源呈現(xiàn)在低端MOSFET的dv/dt感生電平振幅
自適應死區(qū)時刻控制器擔任在外面監(jiān)測 MOSFET 的門極電壓。因而，任何新加的外置門極電阻會分去控制器內置下拉電阻的部分電壓，致使門極電壓實際上會比控制器監(jiān)控的電壓高?！ ?/span>
猜測性門極驅動是另一個可行的方案，方法是運用數(shù)字反應電路檢測內置二極管的導電狀況以及調節(jié)死區(qū)時刻推遲，以便將內置二極管的導電減至最少，確保體系能夠發(fā)揮最高的功率。若選用這個方法，控制器芯片需求添加更多引腳，致使芯片及直流開關電源模塊的本錢會添加?！ ?/span>
有一點需求留意，即便選用猜測性門極驅動，也無法確保場效應晶體管不會因為 dv/dt 的電感感應而發(fā)動。
推遲高端 MOSFET 的發(fā)動也有助削減擊穿狀況呈現(xiàn)。盡管這個方法能夠削減或完全消除擊穿現(xiàn)象，但缺陷是開關損耗較高，而功率也會下降。我們若選用較好的 MOSFET，也有助縮小呈現(xiàn)在底層 MOSFET 門極的 dv/dt 電感電壓振幅。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高，在 MOSFET 門極上呈現(xiàn)的電感電壓便越低。
擊穿的測驗狀況常常被人疏忽，例如在負載瞬態(tài)進程中——尤其是每逢負載已免除或突然削減時——控制器會不斷發(fā)生窄頻脈沖?，F(xiàn)在大部分高電流體系都選用多相位規(guī)劃，運用驅動器芯片驅動 MOSFET。但選用驅動器芯片會令擊穿問題更為雜亂，尤其是當負載處于瞬態(tài)進程之中。例如，窄頻驅動脈沖的攪擾，再加上驅動器呈現(xiàn)傳達推遲，都會導致?lián)舸顩r的呈現(xiàn)。
大部分驅動器芯片出產商都特別規(guī)則控制器的脈沖寬度有必要不行低于某一最低的要求，若低于這個最低要求，便不會有脈沖輸入 MOSFET 的門極。
此外，出產商也為驅動器芯片別的加設可設定死區(qū)時刻 (TRT) 的功用，以增強自適應變換守時的精確性。方法是在可設定死區(qū)時刻引腳與接地之間加設一個可用以設定死區(qū)時刻的電阻，以斷定高低端變換進程中的死區(qū)時刻。這個死區(qū)時刻設定功用加上傳達推遲可將處于變換進程中的互補性 MOSFET 封閉，避免同步降壓變換器呈現(xiàn)擊穿狀況。
牢靠性
任何模塊都有必要在前期階段通過嚴厲的測驗，以確保規(guī)劃完善牢靠，避免在出產進程中的最終階段才呈現(xiàn)意想不到的問題。有關模塊有必要能夠在客戶的體系之中進行測驗，以確保一切有可能導致體系呈現(xiàn)毛病的相關要素，例如散熱扇毛病、散熱扇間歇性中止等問題都能給予充沛的考慮。選用渙散式結構的工程師都期望所規(guī)劃的體系能夠接連運用許多年而很少或乃至不會呈現(xiàn)毛病。因為測驗數(shù)字顯示直流開關電源模塊的 MTBF 高達幾百萬小時，要到達這個方針并不怎樣困難。
但常常被人疏忽的反而是印刷電路板的牢靠性問題。照現(xiàn)在的趨勢看，印刷電路板的面積越縮越小，但需求處理的電流量則越來越大，因而電流密度的添加可能會引致蔭蔽式或其他通孔無法執(zhí)行正常功用。
印刷電路板有部分蔭蔽通孔有必要傳送很多電流，關于這些蔭蔽通孔來說，其周圍有必要有滿足的銅造防護設備為其供給保護，以確保規(guī)劃更牢靠經用。這種防護設備也可抑制 z 軸的受熱脹大幅度，若非如此，出產進程中以及產品運用時印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么改變，蔭蔽通孔便會外露。工程師有必要參考印刷電路板廠商的專業(yè)定見，完全復檢印刷電路板的規(guī)劃，而印刷電路板廠商能夠依據他們的出產能力供給有關印刷電路板規(guī)劃牢靠性的專業(yè)定見。
總結
我們若要運用直流開關電源模塊組成牢靠的直流開關電源供給體系，便有必要解決規(guī)劃牢靠性的問題。上文會集評論幾個首要問題，其間包含鐵粉磁心的牢靠性、磁體系的特性、同步降壓變換器的擊穿現(xiàn)象以及高電流體系印刷電路板的牢靠性等問題。
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