模塊電源的測試及熱設計

1 模塊電源的主要參數測試

本章介紹模塊的主要參數測試電路和技術
1．1 測量電路的組成
模塊電源的測試電路如圖16所示。它由被測模塊電源、測試儀表(電壓表、電流表)、可調電壓源、可調負載組成。測試AC／DC模塊時，可調電壓由自耦變壓器接200V交流電源實現。如果測試DC／DC模塊，可用直流可調電源代替自耦變壓器。負載的大小應按測試模塊額定負載來設置。
環境溫度應在25℃左右。電壓測量必須遵守標準的四線制測量法。

1．2 輸出電壓準確度
輸出電壓準確度應在額定的輸出負載和標稱輸入電壓下用一精密的、校驗過的直流電壓表進行測試，并按下列方式進行計算：
1．3 源效應(輸入調整率)
測量源效應時。應在額定負載恒定的條件下，先測量標稱輸入電壓時的輸出電壓值。再分別測量最大輸入電壓和最小輸入電壓時的輸出電壓值。
取這兩種輸出電壓與標稱輸入電壓所對應的輸出電壓值之間的最大偏差電壓，按下式計算：

1．4 負載效應(負載調整率)
測試負載效應時，應該保持輸入值在標稱值的條件下，先測額定負載(滿載)時的輸出電壓，再測空載時的輸出電壓，按下式計算：

1．5 溫度系數
測試溫度系數時，應該將被測試模塊放進溫度測試箱中，在額定輸出負載下，改變溫度，測相應的輸出電壓值。首先測量溫度在25~C時的輸
出電壓，再分別測量溫度為最大工作溫度及最小工作溫度時的輸出電壓值。每改變一次溫度，應
使模塊穩定15～30min后再測量，以溫度為25~C及相應的輸出電壓為基準，分別計算最高工作溫度和最低工作溫度時，電壓變化與溫度變化比值的百分數，取其較高者定為該模塊的溫度系數。
1．6 輸出紋波及噪音
紋波及噪音測量是在額定負載和25~C的環境溫度下，在模塊的輸出端進行的交流測量。一般情況下，紋波電壓可以用有效值或峰～ 峰值來測量。對一個線性電源來說，輸出紋波電壓是一個幾乎不含高頻成分的100Hz或120Hz的波形，它可以很方便地用帶寬較低的示波器測量峰一峰值或用有效值電壓表測量有效值。
對開關電源來說，輸出紋波電壓是一系列包含高頻分量的小脈沖波。通常規定用峰一峰值表示而不用有效值，因為幅度高、寬度很窄的尖峰有效值很低。例如，開關電源的輸出紋波峰一峰值為50mV時，其有效值可能僅有5mV時。所以，測量含有高頻分量的紋波時，應該使用帶寬大于20MHz的示波器測量峰一峰值。
圖17是開關電源輸出紋波電壓的波形，它由三種不同的頻率分量組合而成，首先是來自輸入整流和濾波器的100Hz或120Hz的低頻分量，其次是與開關頻率一致的高頻分量，最后是疊加在高頻分量上的尖峰脈沖。

圖17 開關電的輸出紋渡波形圖

實際測量紋波電壓時，應該去掉示波器的地線夾，將示波器的探針直接與電源正極相連，探針外面的接地環與電源負極相連，如圖18所示。
因為示波器地線夾放置在高頻輻射場中，就像天線接收器一樣，拾取輻射噪聲，給紋波測量帶來不必要的誤差。
圖18 用示波器探頭測輸出紋波
圖19是用同軸電纜測量紋波電壓的方法。由圖19可知，用一條50Q同軸電纜直接連接到示波器，DC／DC變換模塊和示波器同時放在一塊地板上，這是一個低抗阻的屏蔽測量法，可減小外來噪聲的拾取。另外在DC／DC變換器輸入端接上一
個平衡非平衡變壓器，抑制輸出端的共模噪聲。
應該注意，用這種方法測量，在示波器上看到的峰一峰值波形是實際值的一半。

圖19 用同軸電纜測量輸出紋波
圖20是用雙絞線測量輸出紋波的方法。由圖20可知，測試現場要放置一大塊鋁(或銅)地板，被測電源安裝在高于地板2．5cm的位置，電源輸出的公共端和交流輸入接地端用小于5cm長的粗1O3＼2007年第6期
導線連到地板上，用16號銅線制作一個長度大約為30cm的雙絞線，雙絞線的終端連接一只47 F的電容器(注意電容器的極性和額定電壓)。示波器探頭上的接地線應該用盡可能短的導線連接到探頭的接地環上。示波器的帶寬應大于50MHz，并且示波器必須接地。

1．7 輸入反射紋波電流
輸入反射紋波電流是DC／DC變換模塊的重要特性，它是由DC／DC變換模塊中的開關工作時產生的紋波并反饋到直流輸入端的一種高頻交流電流。通常用電流峰一峰值表示。反射紋波電流的測量電路如圖21所示，這是一種最簡單最直接的測量方法，因為被測電流是含有高頻分量的輸入電流，所以要用20MHz帶寬的電流探頭和示波器。

圖21 反射紋波電流的測量
負載
1．8 輸入共模噪聲電流
共模噪聲電流是由開關電源或DC／DC變換器的開關動作而引起的高頻電流。它是從電源的輸出端通過外接地線傳播到每一個輸入端的噪聲電流。測量電路如圖22所示。與反射紋波電流測量一樣，需要一只寬帶電流探頭。

2 模塊電源的可靠性
電子系統不論大小，幾乎都需要電源。然而由于電源內部的元件要在高溫、高壓、高電流下工作，因此電源內部的元件比系統內的其它元件較容易損壞，所以電源往往也是系統中最不可靠的部分。由于許多重要的應用，電源一旦出現故障時會引起災難性的系統運行停頓，所以了解和提高電源的可靠性是十分重要的。本節就可靠性的概念、計算、與溫度的關系以及如何提高電源系統的可靠性等問題作了較為深刻的闡述。
2．1 可靠性的有關概念
2．1．1 可靠性
可靠性是評價產品質量的一種科學指標。其精確定義為：產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定的功能的能力。
由此定義可知，產品的可靠性受“規定的條件”的制約。很顯然，環境條件不同，工作方式不同，均會直接影響產品的可靠性。同樣，產品的可靠性也是與“規定的時間”有關的。電子產品經過老化篩選，在穩定工作相當長一段時間后，其可靠性水平會隨時間的增加而降低。所以一定的可靠性是相對于一定的時間而言的。另外，產品的可靠性是與“規定的功能”緊密相連的。“規定的功能”就是產品的性能指標。產品的可靠性可以針對產品完成某種功能而言，也可以針對其多種功能的綜合而言。因此，在討論具體產品的可靠性時，必須對產品的故障判據以明確的規定。

的產品來說，它在規定的條件下和規定的時間內，能否完成規定的功能是無法事先知道的，也就是說，這是個隨機事件。因此我們可以用產品完成規定功能的統計規律一“概率”這一尺度來定量地描述可靠性，這就是可靠度。
2．1．2 可靠度
可靠度是指產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的概率。它是時間的函數，記作R(f)，也可稱為可靠度函數。它是產品可靠性的定量表示。
有Nn個同樣系統，使它們同時工作在同樣條件下，從它們開始運行到f時刻的時間內，有N個系統發生故障， 個系統工作完好，則該系統在們寸間的可靠度為：

2．1．3 故障率
故障率是工作到t時刻尚未失效的產品在該時刻后的單時間內發生失效的概率。記為 (日，其單位為h～，菲特(Fit)等，1菲特=10—9h～。
2．1．4 平均無故障時間MTBF
MTBF是英文Mean Time Between Failures的簡寫形式，它是可修復產品的平均壽命。MTBF是指兩次相連故障間的平均工作時間，而不是指每個產品報廢(失效)的時間。MTBF與有大致如下的關系：

圖23為式(8)所得的可靠性與時間的關系圖。
由圖23可以得出以下幾點結論：
①R(0是一個值在0～l之間的概率。
②如果電源模塊工作的時間等于其MTBF的10％時，則它有0．9的生存概率。
③如果電源模塊工作的時間等于它的MTBF，則它的生存概率為0．37。
圖中的小表給出了圖中沒有標出R( 的值。
圖25 可靠性與時間的關系
2．2 “浴盆曲線”
電源模塊的故障曲線如圖24所示。這種類似浴盆的曲線對大多數電子裝置或設備來說也是成立的。這就是在討論可靠性時常常提到的所謂“浴盆曲線” 。從曲線上可以看出，產品的故障率隨時間的推移大體可以分為三個階段：早期失
效期、有效工作期和損耗失效期。在早期失效期內，故障率高，隨著運行時間的延長，性能差的元件逐步因損壞而被淘汰后，故障率逐漸下降。這些早期的故障可以通過老化及出廠測試來消除。
早期失效期過后，元件的故障率變低并且變化不大，接近常數，這個階段是元件的有效工作期。
產品可靠性指標所描述的就是這個時期。這個時期是產品運行的最佳時期。在此期間，故障由很多種不同的偶發性原因所造成而隨機出現。此期間內的故障數據可用統計的方法來收集和推導出。有效工作期過后，產品到了損耗失效期。在此期間由于元件的老化和損耗，故障率迅速增加，元件已到達工作壽命的終結。所有元件都會在此期間損壞。
我們最關心的是產品的有效工作期，在此期間，當 ( 為常數時，其壽命可以認為服從指數分布。故障率是標志產品可靠性的常用數量特征之一，故障率越低，則可靠性越高。 中國可靠性網：http://www.kekaoxing.com 更多可靠性資訊
圖24 浴盆曲線
2．3 MTBF的計算
在計算如電源這類系統的可靠性時，我們通常假設其故障模型是串聯模型，也就是說，一旦系統中最弱的單元失效，系統便失效。在此假設下，系統的可靠度為

MTBF值是元件可靠性的重要指標。它的重要性在于它可以預測設備工作壽命期內的元件故障的數量。例如，在某個設備中使用Ⅳn個相同的元件，在設備工作期T內預料會出現的元件故障數量N ，可推算為Nf Ⅳ0 算出的故障數量可用來估計
在設備工作期內故障出現的頻密程度及次數，維修工作的次數及后備元件的庫存量的需要。
元件的MTBF可用實際故障數量來計算，也可以用標準方法來預測。
以實際故障數量來計算MTBF值的方法是將所有元件的累計工作時間除以在工作期內發生的故障數量來求得。以公式表示即

以此方法計算出來的值有時被稱為“經驗證的MTBF(demonstrated MTBF)”，因為它是最準確的可靠性數據。然而，只有當大量元件在實際使用了相當長一段時間后，才可算出此數據，而不能在使用元件的早期由計算得到。
如果通過查可靠性標準手冊(如美國國防部出版的《MIL—HDBK一217F》)得出每個組成元件的故障率，而后計算整個系統的故障率，這種方法稱為“預測的MTBF(Calculated MTBF)”。
“經驗證的MTBF”一般由制造廠家給出，它是電源可靠性最準確的描述。它反映了所測的系統在應用范圍內真實性能。但是很明顯，這種經驗證的MTBF對于新產品來說是不合適的。為此預測MTBF被提出來，它僅適合于工作在標準工作溫度下的電源系統。圖25是工作在25～75~C的瓤塊電源 電源產品應用
環境溫度范圍情況下某個電源系統預測的MTBF與溫度的關系圖。
圖25雖然是由某一特定的電源系統而得出的，但是其曲線的形狀對電源系統而言具有普遍性。從這里可以看出，冷卻的意義是很大的。工作在較低的溫度下會大大提高系統的可靠性。

圖25 預測的MTBF與溫度的關系

2．4 提高模塊電源可靠性的方法
熱是電源的第一殺手，要使電源具有高可靠性，其中最重要的一點就是保持元件的溫度低。
實質上就是要盡可能地將電源內部的熱量散發出來，使電源系統工作在額定溫度之下。要提高模塊電源的可靠性，可以采用以下幾種方法。
2．4．1 提高電源系統的效率
我們知道對于電源系統而言，

式中叼為電源的效率，P。、P1分別為輸出功率和輸入功率，輸出功率和效率一般由制造廠家給出。
另外從圖26可以推出電源本身的功率損耗( )
與輸出功率(P。)及效率(叼)之間的關系如式

圖26 電源變換器中的能量流向圖
電源系統的殼溫是很重要的，對于一個給定輸出功率的電源系統而言，外殼溫升為

式中△T為外殼溫升，A為外殼的面積，竹為效率，J{為輻射與對流常數的乘積。上述方程給出了一個電源的溫度限制范圍。圖27給出了一個典型的電源變換器的外殼溫升與效率的關系曲線。圖中曲線對應一個輸出功率為5W的密封型模塊電
源，模塊的標準尺寸是9em×3．8cm×3．2era，環境溫度為25~C。

圖27 電源外殼溫升與效率的關系從圖27中可以看出，當效率從75％降到25％，殼溫升從7℃升到55~C。加上環境溫度(25~C)，外殼實際溫度相應地從32~C上升到80~C。這說明效率在熱設計中起重要作用。
2．4．2 降額使用
元件的降額使用是可靠性設計中必須采用的設計技術之一。所謂降額使用，即使元器件應用在比額定值低的應力(如熱應力、電應力)狀態。
它之所以必須，是因為電子元器件的可靠性與其承受的應力強度之間有一定的依賴關系。應力越大，可靠性越低。另外，元器件手冊中規定的性lO7＼2007年第6期
能特性參數往往是以標準的特定環境應力為基礎的標稱值，實際使用場合的工作環境條件經常超過上述環境應力條件。因此只有將元器件降額到足以補償所增加的環境應力時，才能達到可靠性指標的要求。若元器件的工作環境條件與標準的特定應力環境條件相同，考慮到元器件的性能參數都呈現某種非線性分布，也應采用降額設計技術以獲得較大的安全余量。
我國電子工業部頒布的《電子設備可靠性預測手冊》中給出了電子元器件降額使用方法。對于不同的元件，降額的方法是不一樣的，電阻的降額方法是減低功率比，電容的降額方法上降低其工作電壓，半導體器件的降額方法上將功耗保持在額定功耗之內，數字集成電路通過周圍環境溫度和電負荷來降額。線性集成電路、大規模集成電路和半導體存儲器也是通過降低周圍環境溫度來實行降額的。
2．4．3 加裝散熱片
2．4．4 強制風冷
如果前面幾種措施均不很有效的話，可以考慮進行強制風冷散熱，在強制風冷的系統設計中，著重考慮風扇(機)的選擇、風道的設計，使氣流按規定的路徑，合理的氣流量流過各元件，使它們在規定的溫度下工作。
綜上所述，提高電源效率、降額使用、加裝散熱器、強迫風冷都是為了提高電源系統的可靠性所常用的一些方法。這些方法對模塊電源輸出功率額定值的影響如圖28所示。如果在正常情況下，降額曲線從50～70~C， 那么增加一些其它的措施后將會使降額曲線右移，也就是說，不降額的溫度范圍會寬一些。

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