如何解决电源模块中的“击穿”现象

点击数：5222012-01-04 07:49:32　来源: 电源模块

   如何解决电源模块中的“击穿”现象

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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 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箝位二极管，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。)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。

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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