電源模塊的中心議題：

• 采用電源模塊的優點
• 容易被忽略的電源模塊設計問題

電源模塊的解決方案：

• 輸出噪音的測量技術設計
• 磁學的設計
• 同步降壓轉換器設計
• 可靠性分析

電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器 (參看圖1)
，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點 (POL) 電源供應係統或使用點電源供應係統 (PUPS)。由於模塊式結構的優點甚多
，因此高性能電信、網絡聯係及數據通信等係統都廣泛采用各種模塊。雖然采用模塊有很多優點，但工程師設計電源模塊以至大部分板上直流/直流轉換器時，往往忽略可靠性及測量方麵的問題。本文將深入探討這些問題，並分別提出相關的解決方案。
采用電源模塊的優點　　
目前不同的供應商在市場上推出多種不同的電源模塊，而不同產品的輸入電壓、輸出功率、功(gong)能(neng)及(ji)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)等(deng)都(dou)各(ge)不(bu)相(xiang)同(tong)。采(cai)用(yong)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)，使(shi)產(chan)品(pin)可(ke)以(yi)更(geng)快(kuai)推(tui)出(chu)市(shi)場(chang)，因(yin)此(ci)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)比(bi)集(ji)成(cheng)式(shi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)優(you)勝(sheng)。電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)還(hai)有(you)以(yi)下(xia)多(duo)個(ge)優(you)點(dian)：　　
● 每一模塊可以分別加以嚴格測試

，以確保其高度可靠，其中包括通電 ceshi
，yibiantichubuheguigedechanpin。xiangjiaozhixia

，jichengshidejiejuefanganbianjiaonanceshi，yinweizhenggegongdianxitongyudianlushangdeqitagongnengxitongjinmilianxiyiqi。　　
● 不同的供應商可以按照現有的技術標準設計同一大小的模塊
，為設計電源供應器的工程師提供多種不同的選擇。　　
● 每一模塊的設計及測試都按照標準性能的規定進行，有助減少采用新技術所承受的風險。　　
● 若采用集成式的解決方案，一旦電源供應係統出現問題，便需要將整塊主機板更換
；若采用模塊式的設計，隻要將問題模塊更換便可，這樣有助節省成本及開發時間。

容易被忽略的電源模塊設計問題
雖然采用模塊式的設計有以上的多個優點
，但模塊式設計以至板上直流/直流轉換器設計也有本身的問題
，很多人對這些問題認識不足，或不給予足夠的重視。以下是其中的部分問題：　　
● 輸出噪音的測量；　　
● 磁力係統的設計；　　
● 同步降壓轉換器的擊穿現象；　　
● 印刷電路板的可靠性。　　

這些問題會將在下文中一一加以討論
，同時還會介紹多種可解決這些問題的簡單技術。

輸出噪音的測量技術　　
所(suo)有(you)采(cai)用(yong)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)的(de)電(dian)源(yuan)供(gong)應(ying)器(qi)都(dou)會(hui)輸(shu)出(chu)噪(zao)音(yin)。開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)越(yue)高(gao)，便(bian)越(yue)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)正(zheng)確(que)的(de)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)，以(yi)確(que)保(bao)所(suo)量(liang)度(du)的(de)數(shu)據(ju)準(zhun)確(que)可(ke)靠(kao)。量(liang)度(du)輸(shu)出(chu)噪(zao)音(yin)及(ji)其(qi)他(ta)重(zhong)要(yao)數(shu)據(ju)時(shi)，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)圖(tu)2所示的 Tektronix 探針探頭 (一般稱為冷噴嘴探頭)
，以確保測量數字準確可靠
，而且符合預測。這種測量技術也確保接地環路可減至最小。



進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)時(shi)我(wo)們(men)也(ye)要(yao)將(jiang)測(ce)量(liang)儀(yi)表(biao)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)這(zhe)個(ge)因(yin)素(su)計(ji)算(suan)在(zai)內(nei)。大(da)部(bu)分(fen)電(dian)流(liu)探(tan)頭(tou)的(de)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)都(dou)大(da)於(yu)電(dian)壓(ya)探(tan)頭(tou)。因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)同(tong)時(shi)顯(xian)示(shi)電(dian)壓(ya)及(ji)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)的(de)測(ce)量(liang)便(bian)無(wu)法(fa)確(que)保(bao)測(ce)量(liang)數(shu)字(zi)的(de)準(zhun)確(que)度(du)，除(chu)非(fei)利(li)用(yong)人(ren)手(shou)將(jiang)不(bu)同(tong)的(de)延(yan)遲(chi)加(jia)以(yi)均(jun)衡(heng)。　　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。對於高頻的電路設計來說，由於電路可承受的電感不能超過1mH，因此，經由探頭輸入的電感會影響 di/dt 電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)
，甚(shen)至(zhi)令(ling)測(ce)量(liang)數(shu)字(zi)出(chu)現(xian)很(hen)大(da)的(de)誤(wu)差(cha)。若(ruo)電(dian)感(gan)器(qi)已(yi)飽(bao)和(he)
，則(ze)可(ke)采(cai)用(yong)另(ling)一(yi)更(geng)為(wei)準(zhun)確(que)的(de)方(fang)法(fa)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)量(liang)，例(li)如(ru)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)與(yu)電(dian)感(gan)器(qi)串(chuan)行(xing)一(yi)起(qi)的(de)小(xiao)型(xing)分(fen)路(lu)電(dian)阻(zu)的(de)電(dian)壓(ya)。[page]

磁學的設計
磁(ci)心(xin)是(shi)否(fou)可(ke)靠(kao)是(shi)另(ling)一(yi)個(ge)經(jing)常(chang)被(bei)人(ren)忽(hu)略(lve)的(de)問(wen)題(ti)。大(da)部(bu)分(fen)輸(shu)出(chu)電(dian)感(gan)器(qi)都(dou)采(cai)用(yong)鐵(tie)粉(fen)磁(ci)心(xin)
，因(yin)為(wei)鐵(tie)粉(fen)是(shi)成(cheng)本(ben)最(zui)低(di)的(de)物(wu)料(liao)。鐵(tie)粉(fen)磁(ci)心(xin)的(de)成(cheng)份(fen)之(zhi)中(zhong)大(da)約(yue)有(you) 95% 屬純鐵粒
，而這些鐵粉粒利用有機膠合劑粘合一起。這些膠合劑也將每一鐵粉粒分隔，使磁心內外滿布透氣空間。　　鐵tie粉fen是shi構gou成cheng磁ci心xin的de原yuan材cai料liao，但dan鐵tie粉fen含han有you小xiao量liang的de雜za質zhi如ru錳meng及ji鉻ge，而er這zhe些xie雜za質zhi會hui影ying響xiang磁ci心xin的de可ke靠kao性xing，影ying響xiang程cheng度du視shi乎hu所suo含han雜za質zhi的de數shu量liang。我wo們men可ke以yi利li用yong光guang譜pu電dian子zi顯xian微wei鏡jing (SEM) 仔細查看磁心的截麵，以便確定雜質的相對分布情況。磁心是否可靠，關鍵在於材料是否可以預測以及其供應是否穩定可靠。　　若ruo鐵tie粉fen磁ci心xin長chang期qi處chu於yu高gao溫wen環huan境jing之zhi中zhong
，磁ci心xin損sun耗hao可ke能neng會hui增zeng加jia
，而er且qie損sun耗hao一yi旦dan增zeng多duo，便bian永yong遠yuan無wu法fa複fu原yuan，因yin為wei有you機ji膠jiao合he劑ji出chu現xian份fen子zi分fen解jie，令ling渦wo流liu損sun耗hao增zeng加jia。這zhe種zhong現xian象xiang可ke稱cheng為wei熱re老lao化hua
，最zui後hou可ke能neng會hui引yin致zhi磁ci心xin出chu現xian熱re失shi控kong。　　磁心損耗的大小受交流電通量密度
、操作頻率
、磁ci心xin大da小xiao及ji物wu料liao類lei別bie等deng多duo個ge不bu同tong因yin素su影ying響xiang。以yi高gao頻pin操cao作zuo為wei例li來lai說shuo，大da部bu分fen損sun耗hao屬shu渦wo流liu損sun耗hao。若ruo以yi低di頻pin操cao作zuo，磁ci滯zhi損sun耗hao反fan而er是shi最zui大da的de損sun耗hao。　　渦wo流liu損sun耗hao會hui令ling磁ci心xin受shou熱re

，以yi致zhi效xiao率lv也ye會hui受shou影ying響xiang而er下xia跌die。產chan生sheng渦wo流liu損sun耗hao的de原yuan因yin是shi以yi鐵tie磁ci物wu質zhi造zao成cheng的de物wu體ti受shou不bu同tong時shi間jian的de不bu同tong磁ci通tong影ying響xiang令ling物wu體ti內nei產chan生sheng循xun環huan不bu息xi的de電dian流liu。我wo們men隻zhi要yao選xuan用yong一yi片pian片pian的de鐵tie磁ci薄bo片pian而er非fei實shi心xin鐵tie磁ci作zuo為wei磁ci心xin的de物wu料liao，便bian可ke減jian低di渦wo流liu損sun耗hao。例li如ru，以yi磁ci帶dai繞rao成cheng的de Metglas 便是這樣的一種磁心。其他的鐵磁產品供應商如 Magnetics 也生產以磁帶繞成的磁心。　　Micrometals  等deng磁ci心xin產chan品pin供gong應ying商shang特te別bie為wei設she計ji磁ci性xing產chan品pin的de工gong程cheng師shi提ti供gong有you關guan磁ci心xin受shou熱re老lao化hua的de最zui新xin資zi料liao及ji計ji算suan方fang式shi。采cai用yong無wu機ji膠jiao合he劑ji的de鐵tie粉fen磁ci心xin不bu會hui有you受shou熱re老lao化hua的de情qing況kuang出chu現xian。市shi場chang上shang已yi有you這zhe類lei磁ci心xin出chu售shou，Micrometals 的 200C 係列磁心便屬於這類產品。

同步降壓轉換器的擊穿現象
負載點電源供應係統 (POL) 或使用點電源供應係統 (PUPS) 等供電係統都廣泛采用同步降壓轉換器 (圖3)。這種同步降壓轉換器采用高端及低端的 MOSFET 取代傳統降壓轉換器的箝位二極管，以便降低負載電流的損耗。

工程師設計降壓轉換器時經常忽視“擊穿”的問題。每當高端及低端 MOSFET 同時全麵或局部啟動時
，便會出現“擊穿”的現象，使輸入電壓可以將電流直接輸送到接地。　　

jichuanxianxianghuidaozhidianliuzaikaiguandeyishunjianchuxianjianfeng，lingzhuanhuanqiwufafahuiqizuigaodexiaolv。womenbukecaiyongdianliutantouceliangjichuandeqingkuang，yinweitantoudedianganhuiyanzhongganraodianludecaozuo。womenkeyijianzhalianggechangxiaoyingjingtiguan (FET) 的門極/源極電壓

，看看是否有尖峰出現。這是另一個檢測擊穿現象的方法。(上層 MOSFET 的門極/源極電壓可以利用差分方式加以監測。)我們可以利用以下的方法減少擊穿現象的出現。　　

采用設有“固定死區時間”的控製器芯片是其中一個可行的辦法。這種控製器芯片可以確保上層 MOSFET 關閉之後會出現一段延遲時間，才讓下層 MOSFET 重zhong新xin啟qi動dong。這zhe個ge方fang法fa較jiao為wei簡jian單dan

，但dan真zhen正zheng實shi行xing時shi則ze要yao很hen小xiao心xin。若ruo死si區qu時shi間jian太tai短duan，可ke能neng無wu法fa阻zu止zhi擊ji穿chuan現xian象xiang的de出chu現xian。若ruo死si區qu時shi間jian太tai長chang
，電dian導dao損sun耗hao便bian會hui增zeng加jia，因yin為wei底di層ceng場chang效xiao應ying晶jing體ti管guan內nei置zhi的de二er極ji管guan在zai整zheng段duan死si區qu時shi間jian內nei一yi直zhi在zai啟qi動dong。由you於yu這zhe個ge二er極ji管guan會hui在zai死si區qu時shi間jian內nei導dao電dian，因yin此ci采cai用yong這zhe個ge方fang法fa的de係xi統tong效xiao率lv便bian取qu決jue於yu底di層ceng MOSFET 的內置二極管的特性。另一個減少擊穿的方法是采用設有“自適應死區時間”的控製器芯片。這個方法的優點是可以不斷監測上層 MOSFET 的門極/源極電壓，以便確定何時才啟動底層 MOSFET。高端 MOSFET 啟動時，會通過電感感應令低端 MOSFET 的門極出現 dv/dt 尖峰
，以致推高門極電壓 (圖4)。若門極/源極電壓高至足以將之啟動，擊穿現象便會出現。

自適應死區時間控製器負責在外麵監測 MOSFET demenjidianya。yinci
，renhexinjiadewaizhimenjidianzuhuifenqukongzhiqineizhixialadianzudebufendianya，yizhimenjidianyashijishanghuibikongzhiqijiankongdedianyagao。yucexingmenjiqudongshilingyigekexingdefangan，banfashiliyongshuzifankuidianlujianceneizhierjiguandedaodianqingkuangyijitiaojiesiqushijianyanchi
，yibianjiangneizhierjiguandedaodianjianzhizuishao，quebaoxitongkeyifahuizuigaodexiaolv。ruocaiyongzhegefangfa，kongzhiqixinpianxuyaotianjiagengduoyinjiao，yizhixinpianjidianyuanmokuaidechengbenhuizengjia。　　有一點需要注意，即使采用預測性門極驅動


，也無法保證場效應晶體管不會因為 dv/dt 的電感感應而啟動。延遲高端 MOSFET 的de啟qi動dong也ye有you助zhu減jian少shao擊ji穿chuan情qing況kuang出chu現xian。雖sui然ran這zhe個ge方fang法fa可ke以yi減jian少shao或huo徹che底di消xiao除chu擊ji穿chuan現xian象xiang，但dan缺que點dian是shi開kai關guan損sun耗hao較jiao高gao
，而er效xiao率lv也ye會hui下xia降jiang。我wo們men若ruo選xuan用yong較jiao好hao的de MOSFET
，也有助縮小出現在底層 MOSFET 門極的 dv/dt 電感電壓振幅。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高，在 MOSFET 門極上出現的電感電壓便越低擊穿的測試情況經常被人忽略，例如在負載瞬態過程中——尤其是每當負載已解除或突然減少時——控製器會不斷產生窄頻脈衝。目前大部分高電流係統都采用多相位設計

，利用驅動器芯片驅動 MOSFET。但(dan)采(cai)用(yong)驅(qu)動(dong)器(qi)芯(xin)片(pian)會(hui)令(ling)擊(ji)穿(chuan)問(wen)題(ti)更(geng)為(wei)複(fu)雜(za)，尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)負(fu)載(zai)處(chu)於(yu)瞬(shun)態(tai)過(guo)程(cheng)之(zhi)中(zhong)。例(li)如(ru)
，窄(zhai)頻(pin)驅(qu)動(dong)脈(mai)衝(chong)的(de)幹(gan)擾(rao)
，再(zai)加(jia)上(shang)驅(qu)動(dong)器(qi)出(chu)現(xian)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)，都(dou)會(hui)導(dao)致(zhi)擊(ji)穿(chuan)情(qing)況(kuang)的(de)出(chu)現(xian)。大(da)部(bu)分(fen)驅(qu)動(dong)器(qi)芯(xin)片(pian)生(sheng)產(chan)商(shang)都(dou)特(te)別(bie)規(gui)定(ding)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)必(bi)須(xu)不(bu)可(ke)低(di)於(yu)某(mou)一(yi)最(zui)低(di)的(de)要(yao)求(qiu)，若(ruo)低(di)於(yu)這(zhe)個(ge)最(zui)低(di)要(yao)求(qiu)，便(bian)不(bu)會(hui)有(you)脈(mai)衝(chong)輸(shu)入(ru) MOSFET 的門極。此外
，生產商也為驅動器芯片另外加設可設定死區時間 (TRT) 的de功gong能neng，以yi增zeng強qiang自zi適shi應ying轉zhuan換huan定ding時shi的de準zhun確que性xing。辦ban法fa是shi在zai可ke設she定ding死si區qu時shi間jian引yin腳jiao與yu接jie地di之zhi間jian加jia設she一yi個ge可ke用yong以yi設she定ding死si區qu時shi間jian的de電dian阻zu，以yi確que定ding高gao低di端duan轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong的de死si區qu時shi間jian。這zhe個ge死si區qu時shi間jian設she定ding功gong能neng加jia上shang傳chuan播bo延yan遲chi可ke將jiang處chu於yu轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong的de互hu補bu性xing MOSFET 關閉，以免同步降壓轉換器出現擊穿情況。

可靠性
任(ren)何(he)模(mo)塊(kuai)都(dou)必(bi)須(xu)在(zai)早(zao)期(qi)階(jie)段(duan)通(tong)過(guo)嚴(yan)格(ge)的(de)測(ce)試(shi)，以(yi)確(que)保(bao)設(she)計(ji)完(wan)善(shan)可(ke)靠(kao)，以(yi)免(mian)在(zai)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)最(zui)後(hou)階(jie)段(duan)才(cai)出(chu)現(xian)意(yi)想(xiang)不(bu)到(dao)的(de)問(wen)題(ti)。有(you)關(guan)模(mo)塊(kuai)必(bi)須(xu)可(ke)以(yi)在(zai)客(ke)戶(hu)的(de)係(xi)統(tong)之(zhi)中(zhong)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)，以(yi)確(que)保(bao)所(suo)有(you)有(you)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)的(de)相(xiang)關(guan)因(yin)素(su)
，例(li)如(ru)散(san)熱(re)扇(shan)故(gu)障(zhang)
、散(san)熱(re)扇(shan)間(jian)歇(xie)性(xing)停(ting)頓(dun)等(deng)問(wen)題(ti)都(dou)能(neng)給(gei)予(yu)充(chong)分(fen)的(de)考(kao)慮(lv)。采(cai)用(yong)分(fen)散(san)式(shi)結(jie)構(gou)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)希(xi)望(wang)所(suo)設(she)計(ji)的(de)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)連(lian)續(xu)使(shi)用(yong)很(hen)多(duo)年(nian)而(er)很(hen)少(shao)或(huo)甚(shen)至(zhi)不(bu)會(hui)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)。由(you)於(yu)測(ce)試(shi)數(shu)字(zi)顯(xian)示(shi)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de) MTBF 高達幾百萬小時

，要達到這個目標並不怎樣困難。

danjingchangbeirenhulvedefanershiyinshuadianlubandekekaoxingwenti。zhaomuqiandequshikan，yinshuadianlubandemianjiyuesuoyuexiao

，danxuyaochulidedianliuliangzeyuelaiyueda
，yincidianliumidudezengjiakenenghuiyinzhiyinbishihuoqitatongkongwufazhixingzhengchanggongneng。yinshuadianlubanyoubufenyinbitongkongbixuchuansongdaliangdianliu，duiyuzhexieyinbitongkonglaishuo
，qizhouweibixuyouzugoudetongzaofanghuzhuangzhiweiqitigongbaohu
，yiquebaoshejigengkekaonaiyong。zhezhongfanghuzhuangzhiyekeyizhi z zhoudeshourepengzhangfudu，ruofeiruci，shengchanguochengzhongyijichanpinshiyongshiyinshuadianlubandehuanjingwenduyidanyoushenmebianhua
，yinbitongkongbianhuiwailu。gongchengshibixucankaoyinshuadianlubanchangshangdezhuanyeyijian，chedifujianyinshuadianlubandesheji，eryinshuadianlubanchangshangkeyigenjutamendeshengchannenglitigongyouguanyinshuadianlubanshejikekaoxingdezhuanyeyijian。

總結
womenruoyaoliyongdianyuanmokuaizujiankekaodedianyuangongyingxitong，bianbixujiejueshejikekaoxingdewenti。shangwenjizhongtaolunjigezhuyaowenti，qizhongbaokuotiefencixindekekaoxing、磁係統的特性、同步降壓轉換器的擊穿現象以及高電流係統印刷電路板的可靠性等問題。