模塊電源的測(cè)試及熱設(shè)計(jì)

1 模塊電源的主要參數(shù)測(cè)試

本章介紹模塊的主要參數(shù)測(cè)試電路和技術(shù)
1．1 測(cè)量電路的組成
模塊電源的測(cè)試電路如圖16所示。它由被測(cè)模塊電源、測(cè)試儀表(電壓表、電流表)、可調(diào)電壓源、可調(diào)負(fù)載組成。測(cè)試AC／DC模塊時(shí)，可調(diào)電壓由自耦變壓器接200V交流電源實(shí)現(xiàn)。如果測(cè)試DC／DC模塊，可用直流可調(diào)電源代替自耦變壓器。負(fù)載的大小應(yīng)按測(cè)試模塊額定負(fù)載來(lái)設(shè)置。
環(huán)境溫度應(yīng)在25℃左右。電壓測(cè)量必須遵守標(biāo)準(zhǔn)的四線制測(cè)量法。

1．2 輸出電壓準(zhǔn)確度
輸出電壓準(zhǔn)確度應(yīng)在額定的輸出負(fù)載和標(biāo)稱輸入電壓下用一精密的、校驗(yàn)過(guò)的直流電壓表進(jìn)行測(cè)試，并按下列方式進(jìn)行計(jì)算：
1．3 源效應(yīng)(輸入調(diào)整率)
測(cè)量源效應(yīng)時(shí)。應(yīng)在額定負(fù)載恒定的條件下，先測(cè)量標(biāo)稱輸入電壓時(shí)的輸出電壓值。再分別測(cè)量最大輸入電壓和最小輸入電壓時(shí)的輸出電壓值。
取這兩種輸出電壓與標(biāo)稱輸入電壓所對(duì)應(yīng)的輸出電壓值之間的最大偏差電壓，按下式計(jì)算：

1．4 負(fù)載效應(yīng)(負(fù)載調(diào)整率)
測(cè)試負(fù)載效應(yīng)時(shí)，應(yīng)該保持輸入值在標(biāo)稱值的條件下，先測(cè)額定負(fù)載(滿載)時(shí)的輸出電壓，再測(cè)空載時(shí)的輸出電壓，按下式計(jì)算：

1．5 溫度系數(shù)
測(cè)試溫度系數(shù)時(shí)，應(yīng)該將被測(cè)試模塊放進(jìn)溫度測(cè)試箱中，在額定輸出負(fù)載下，改變溫度，測(cè)相應(yīng)的輸出電壓值。首先測(cè)量溫度在25~C時(shí)的輸
出電壓，再分別測(cè)量溫度為最大工作溫度及最小工作溫度時(shí)的輸出電壓值。每改變一次溫度，應(yīng)
使模塊穩(wěn)定15～30min后再測(cè)量，以溫度為25~C及相應(yīng)的輸出電壓為基準(zhǔn)，分別計(jì)算最高工作溫度和最低工作溫度時(shí)，電壓變化與溫度變化比值的百分?jǐn)?shù)，取其較高者定為該模塊的溫度系數(shù)。
1．6 輸出紋波及噪音
紋波及噪音測(cè)量是在額定負(fù)載和25~C的環(huán)境溫度下，在模塊的輸出端進(jìn)行的交流測(cè)量。一般情況下，紋波電壓可以用有效值或峰～ 峰值來(lái)測(cè)量。對(duì)一個(gè)線性電源來(lái)說(shuō)，輸出紋波電壓是一個(gè)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(cè)量峰一峰值或用有效值電壓表測(cè)量有效值。
對(duì)開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，輸出紋波電壓是一系列包含高頻分量的小脈沖波。通常規(guī)定用峰一峰值表示而不用有效值，因?yàn)榉雀摺挾群苷募夥逵行е岛艿汀＠纾_關(guān)電源的輸出紋波峰一峰值為50mV時(shí)，其有效值可能僅有5mV時(shí)。所以，測(cè)量含有高頻分量的紋波時(shí)，應(yīng)該使用帶寬大于20MHz的示波器測(cè)量峰一峰值。
圖17是開關(guān)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(lái)自輸入整流和濾波器的100Hz或120Hz的低頻分量，其次是與開關(guān)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(guān)電的輸出紋渡波形圖

實(shí)際測(cè)量紋波電壓時(shí)，應(yīng)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(huán)與電源負(fù)極相連，如圖18所示。
因?yàn)槭静ㄆ鞯鼐€夾放置在高頻輻射場(chǎng)中，就像天線接收器一樣，拾取輻射噪聲，給紋波測(cè)量帶來(lái)不必要的誤差。
圖18 用示波器探頭測(cè)輸出紋波
圖19是用同軸電纜測(cè)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(shí)放在一塊地板上，這是一個(gè)低抗阻的屏蔽測(cè)量法，可減小外來(lái)噪聲的拾取。另外在DC／DC變換器輸入端接上一
個(gè)平衡非平衡變壓器，抑制輸出端的共模噪聲。
應(yīng)該注意，用這種方法測(cè)量，在示波器上看到的峰一峰值波形是實(shí)際值的一半。

圖19 用同軸電纜測(cè)量輸出紋波
圖20是用雙絞線測(cè)量輸出紋波的方法。由圖20可知，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)要放置一大塊鋁(或銅)地板，被測(cè)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(zhǎng)的粗1O3＼2007年第6期
導(dǎo)線連到地板上，用16號(hào)銅線制作一個(gè)長(zhǎng)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(yīng)該用盡可能短的導(dǎo)線連接到探頭的接地環(huán)上。示波器的帶寬應(yīng)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(guān)工作時(shí)產(chǎn)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(cè)量電路如圖21所示，這是一種最簡(jiǎn)單最直接的測(cè)量方法，因?yàn)楸粶y(cè)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(cè)量
負(fù)載
1．8 輸入共模噪聲電流
共模噪聲電流是由開關(guān)電源或DC／DC變換器的開關(guān)動(dòng)作而引起的高頻電流。它是從電源的輸出端通過(guò)外接地線傳播到每一個(gè)輸入端的噪聲電流。測(cè)量電路如圖22所示。與反射紋波電流測(cè)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(tǒng)不論大小，幾乎都需要電源。然而由于電源內(nèi)部的元件要在高溫、高壓、高電流下工作，因此電源內(nèi)部的元件比系統(tǒng)內(nèi)的其它元件較容易損壞，所以電源往往也是系統(tǒng)中最不可靠的部分。由于許多重要的應(yīng)用，電源一旦出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)引起災(zāi)難性的系統(tǒng)運(yùn)行停頓，所以了解和提高電源的可靠性是十分重要的。本節(jié)就可靠性的概念、計(jì)算、與溫度的關(guān)系以及如何提高電源系統(tǒng)的可靠性等問題作了較為深刻的闡述。
2．1 可靠性的有關(guān)概念
2．1．1 可靠性
可靠性是評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的一種科學(xué)指標(biāo)。其精確定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力。
由此定義可知，產(chǎn)品的可靠性受“規(guī)定的條件”的制約。很顯然，環(huán)境條件不同，工作方式不同，均會(huì)直接影響產(chǎn)品的可靠性。同樣，產(chǎn)品的可靠性也是與“規(guī)定的時(shí)間”有關(guān)的。電子產(chǎn)品經(jīng)過(guò)老化篩選，在穩(wěn)定工作相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，其可靠性水平會(huì)隨時(shí)間的增加而降低。所以一定的可靠性是相對(duì)于一定的時(shí)間而言的。另外，產(chǎn)品的可靠性是與“規(guī)定的功能”緊密相連的。“規(guī)定的功能”就是產(chǎn)品的性能指標(biāo)。產(chǎn)品的可靠性可以針對(duì)產(chǎn)品完成某種功能而言，也可以針對(duì)其多種功能的綜合而言。因此，在討論具體產(chǎn)品的可靠性時(shí)，必須對(duì)產(chǎn)品的故障判據(jù)以明確的規(guī)定。

的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能否完成規(guī)定的功能是無(wú)法事先知道的，也就是說(shuō)，這是個(gè)隨機(jī)事件。因此我們可以用產(chǎn)品完成規(guī)定功能的統(tǒng)計(jì)規(guī)律一“概率”這一尺度來(lái)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。它是時(shí)間的函數(shù)，記作R(f)，也可稱為可靠度函數(shù)。它是產(chǎn)品可靠性的定量表示。
有Nn個(gè)同樣系統(tǒng)，使它們同時(shí)工作在同樣條件下，從它們開始運(yùn)行到f時(shí)刻的時(shí)間內(nèi)，有N個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障， 個(gè)系統(tǒng)工作完好，則該系統(tǒng)在們寸間的可靠度為：

2．1．3 故障率
故障率是工作到t時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品在該時(shí)刻后的單時(shí)間內(nèi)發(fā)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(wú)故障時(shí)間MTBF
MTBF是英文Mean Time Between Failures的簡(jiǎn)寫形式，它是可修復(fù)產(chǎn)品的平均壽命。MTBF是指兩次相連故障間的平均工作時(shí)間，而不是指每個(gè)產(chǎn)品報(bào)廢(失效)的時(shí)間。MTBF與有大致如下的關(guān)系：

圖23為式(8)所得的可靠性與時(shí)間的關(guān)系圖。
由圖23可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
①R(0是一個(gè)值在0～l之間的概率。
②如果電源模塊工作的時(shí)間等于其MTBF的10％時(shí)，則它有0．9的生存概率。
③如果電源模塊工作的時(shí)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(biāo)出R( 的值。
圖25 可靠性與時(shí)間的關(guān)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(duì)大多數(shù)電子裝置或設(shè)備來(lái)說(shuō)也是成立的。這就是在討論可靠性時(shí)常常提到的所謂“浴盆曲線” 。從曲線上可以看出，產(chǎn)品的故障率隨時(shí)間的推移大體可以分為三個(gè)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(nèi)，故障率高，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，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(guò)老化及出廠測(cè)試來(lái)消除。
早期失效期過(guò)后，元件的故障率變低并且變化不大，接近常數(shù)，這個(gè)階段是元件的有效工作期。
產(chǎn)品可靠性指標(biāo)所描述的就是這個(gè)時(shí)期。這個(gè)時(shí)期是產(chǎn)品運(yùn)行的最佳時(shí)期。在此期間，故障由很多種不同的偶發(fā)性原因所造成而隨機(jī)出現(xiàn)。此期間內(nèi)的故障數(shù)據(jù)可用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)收集和推導(dǎo)出。有效工作期過(guò)后，產(chǎn)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(dá)工作壽命的終結(jié)。所有元件都會(huì)在此期間損壞。
我們最關(guān)心的是產(chǎn)品的有效工作期，在此期間，當(dāng) ( 為常數(shù)時(shí)，其壽命可以認(rèn)為服從指數(shù)分布。故障率是標(biāo)志產(chǎn)品可靠性的常用數(shù)量特征之一，故障率越低，則可靠性越高。 中國(guó)可靠性網(wǎng)：http://www.kekaoxing.com 更多可靠性資訊
圖24 浴盆曲線
2．3 MTBF的計(jì)算
在計(jì)算如電源這類系統(tǒng)的可靠性時(shí)，我們通常假設(shè)其故障模型是串聯(lián)模型，也就是說(shuō)，一旦系統(tǒng)中最弱的單元失效，系統(tǒng)便失效。在此假設(shè)下，系統(tǒng)的可靠度為

MTBF值是元件可靠性的重要指標(biāo)。它的重要性在于它可以預(yù)測(cè)設(shè)備工作壽命期內(nèi)的元件故障的數(shù)量。例如，在某個(gè)設(shè)備中使用Ⅳn個(gè)相同的元件，在設(shè)備工作期T內(nèi)預(yù)料會(huì)出現(xiàn)的元件故障數(shù)量N ，可推算為Nf Ⅳ0 算出的故障數(shù)量可用來(lái)估計(jì)
在設(shè)備工作期內(nèi)故障出現(xiàn)的頻密程度及次數(shù)，維修工作的次數(shù)及后備元件的庫(kù)存量的需要。
元件的MTBF可用實(shí)際故障數(shù)量來(lái)計(jì)算，也可以用標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)預(yù)測(cè)。
以實(shí)際故障數(shù)量來(lái)計(jì)算MTBF值的方法是將所有元件的累計(jì)工作時(shí)間除以在工作期內(nèi)發(fā)生的故障數(shù)量來(lái)求得。以公式表示即

以此方法計(jì)算出來(lái)的值有時(shí)被稱為“經(jīng)驗(yàn)證的MTBF(demonstrated MTBF)”，因?yàn)樗亲顪?zhǔn)確的可靠性數(shù)據(jù)。然而，只有當(dāng)大量元件在實(shí)際使用了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，才可算出此數(shù)據(jù)，而不能在使用元件的早期由計(jì)算得到。
如果通過(guò)查可靠性標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)(如美國(guó)國(guó)防部出版的《MIL—HDBK一217F》)得出每個(gè)組成元件的故障率，而后計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的故障率，這種方法稱為“預(yù)測(cè)的MTBF(Calculated MTBF)”。
“經(jīng)驗(yàn)證的MTBF”一般由制造廠家給出，它是電源可靠性最準(zhǔn)確的描述。它反映了所測(cè)的系統(tǒng)在應(yīng)用范圍內(nèi)真實(shí)性能。但是很明顯，這種經(jīng)驗(yàn)證的MTBF對(duì)于新產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是不合適的。為此預(yù)測(cè)MTBF被提出來(lái)，它僅適合于工作在標(biāo)準(zhǔn)工作溫度下的電源系統(tǒng)。圖25是工作在25～75~C的瓤塊電源 電源產(chǎn)品應(yīng)用
環(huán)境溫度范圍情況下某個(gè)電源系統(tǒng)預(yù)測(cè)的MTBF與溫度的關(guān)系圖。
圖25雖然是由某一特定的電源系統(tǒng)而得出的，但是其曲線的形狀對(duì)電源系統(tǒng)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(huì)大大提高系統(tǒng)的可靠性。

圖25 預(yù)測(cè)的MTBF與溫度的關(guān)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(diǎn)就是保持元件的溫度低。
實(shí)質(zhì)上就是要盡可能地將電源內(nèi)部的熱量散發(fā)出來(lái)，使電源系統(tǒng)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(tǒng)的效率
我們知道對(duì)于電源系統(tǒng)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(guān)系如式

圖26 電源變換器中的能量流向圖
電源系統(tǒng)的殼溫是很重要的，對(duì)于一個(gè)給定輸出功率的電源系統(tǒng)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(duì)流常數(shù)的乘積。上述方程給出了一個(gè)電源的溫度限制范圍。圖27給出了一個(gè)典型的電源變換器的外殼溫升與效率的關(guān)系曲線。圖中曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出功率為5W的密封型模塊電
源，模塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是9em×3．8cm×3．2era，環(huán)境溫度為25~C。

圖27 電源外殼溫升與效率的關(guān)系從圖27中可以看出，當(dāng)效率從75％降到25％，殼溫升從7℃升到55~C。加上環(huán)境溫度(25~C)，外殼實(shí)際溫度相應(yīng)地從32~C上升到80~C。這說(shuō)明效率在熱設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中必須采用的設(shè)計(jì)技術(shù)之一。所謂降額使用，即使元器件應(yīng)用在比額定值低的應(yīng)力(如熱應(yīng)力、電應(yīng)力)狀態(tài)。
它之所以必須，是因?yàn)殡娮釉骷目煽啃耘c其承受的應(yīng)力強(qiáng)度之間有一定的依賴關(guān)系。應(yīng)力越大，可靠性越低。另外，元器件手冊(cè)中規(guī)定的性lO7＼2007年第6期
能特性參數(shù)往往是以標(biāo)準(zhǔn)的特定環(huán)境應(yīng)力為基礎(chǔ)的標(biāo)稱值，實(shí)際使用場(chǎng)合的工作環(huán)境條件經(jīng)常超過(guò)上述環(huán)境應(yīng)力條件。因此只有將元器件降額到足以補(bǔ)償所增加的環(huán)境應(yīng)力時(shí)，才能達(dá)到可靠性指標(biāo)的要求。若元器件的工作環(huán)境條件與標(biāo)準(zhǔn)的特定應(yīng)力環(huán)境條件相同，考慮到元器件的性能參數(shù)都呈現(xiàn)某種非線性分布，也應(yīng)采用降額設(shè)計(jì)技術(shù)以獲得較大的安全余量。
我國(guó)電子工業(yè)部頒布的《電子設(shè)備可靠性預(yù)測(cè)手冊(cè)》中給出了電子元器件降額使用方法。對(duì)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(dǎo)體器件的降額方法上將功耗保持在額定功耗之內(nèi)，數(shù)字集成電路通過(guò)周圍環(huán)境溫度和電負(fù)荷來(lái)降額。線性集成電路、大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器也是通過(guò)降低周圍環(huán)境溫度來(lái)實(shí)行降額的。
2．4．3 加裝散熱片
2．4．4 強(qiáng)制風(fēng)冷
如果前面幾種措施均不很有效的話，可以考慮進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，在強(qiáng)制風(fēng)冷的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，著重考慮風(fēng)扇(機(jī))的選擇、風(fēng)道的設(shè)計(jì)，使氣流按規(guī)定的路徑，合理的氣流量流過(guò)各元件，使它們?cè)谝?guī)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(qiáng)迫風(fēng)冷都是為了提高電源系統(tǒng)的可靠性所常用的一些方法。這些方法對(duì)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(huì)使降額曲線右移，也就是說(shuō)，不降額的溫度范圍會(huì)寬一些。

熱設(shè)計(jì)資料下載：  模塊電源的測(cè)試及熱設(shè)計(jì).pdf

標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評(píng)論: