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
• 輸出噪音的測量技術
• 同步降壓轉換器的擊穿現象

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、gongnengjituopujiegoudengdougebuxiangtong。caiyongdianyuanmokuaikeyijieshengkaifashijian
，shichanpinkeyigengkuaituichushichang
，yincidianyuanmokuaibijichengshidejiejuefanganyousheng。dianyuanmokuaihaiyouyixiaduogeyoudian：

　　● 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 測ce試shi
，以yi便bian剔ti除chu不bu合he規gui格ge的de產chan品pin。相xiang較jiao之zhi下xia
，集ji成cheng式shi的de解jie決jue方fang案an便bian較jiao難nan測ce試shi，因yin為wei整zheng個ge供gong電dian係xi統tong與yu電dian路lu上shang的de其qi他ta功gong能neng係xi統tong緊jin密mi聯lian係xi一yi起qi。

　　● 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。

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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dian流liu探tan頭tou也ye會hui將jiang電dian感gan輸shu入ru電dian路lu之zhi內nei。典dian型xing的de電dian流liu探tan頭tou會hui輸shu入ru 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)。

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shu純chun鐵tie粒li，而er這zhe些xie鐵tie粉fen粒li利li用yong有you機ji膠jiao合he劑ji粘zhan合he一yi起qi。這zhe些xie膠jiao合he劑ji也ye將jiang每mei一yi鐵tie粉fen粒li分fen隔ge，使shi磁ci心xin內nei外wai滿man布bu透tou氣qi空kong間jian。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zai細xi查zha看kan磁ci心xin的de截jie麵mian

，以yi便bian確que定ding雜za質zhi的de相xiang對dui分fen布bu情qing況kuang。磁ci心xin是shi否fou可ke靠kao
，關guan鍵jian在zai於yu材cai料liao是shi否fou可ke以yi預yu測ce以yi及ji其qi供gong應ying是shi否fou穩wen定ding可ke靠kao。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ci心xin損sun耗hao的de大da小xiao受shou交jiao流liu電dian通tong量liang密mi度du、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。

擊(ji)穿(chuan)現(xian)象(xiang)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)在(zai)開(kai)關(guan)的(de)一(yi)瞬(shun)間(jian)出(chu)現(xian)尖(jian)峰(feng)，令(ling)轉(zhuan)換(huan)器(qi)無(wu)法(fa)發(fa)揮(hui)其(qi)最(zui)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)。我(wo)們(men)不(bu)可(ke)采(cai)用(yong)電(dian)流(liu)探(tan)頭(tou)測(ce)量(liang)擊(ji)穿(chuan)的(de)情(qing)況(kuang)，因(yin)為(wei)探(tan)頭(tou)的(de)電(dian)感(gan)會(hui)嚴(yan)重(zhong)幹(gan)擾(rao)電(dian)路(lu)的(de)操(cao)作(zuo)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)檢(jian)查(zha)兩(liang)個(ge)場(chang)效(xiao)應(ying)晶(jing)體(ti)管(guan) （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 的de門men極ji電dian壓ya。因yin此ci

，任ren何he新xin加jia的de外wai置zhi門men極ji電dian阻zu會hui分fen去qu控kong製zhi器qi內nei置zhi下xia拉la電dian阻zu的de部bu分fen電dian壓ya，以yi致zhi門men極ji電dian壓ya實shi際ji上shang會hui比bi控kong製zhi器qi監jian控kong的de電dian壓ya高gao。預yu測ce性xing門men極ji驅qu動dong是shi另ling一yi個ge可ke行xing的de方fang案an，辦ban法fa是shi利li用yong數shu字zi反fan饋kui電dian路lu檢jian測ce內nei置zhi二er極ji管guan的de導dao電dian情qing況kuang以yi及ji調tiao節jie死si區qu時shi間jian延yan遲chi，以yi便bian將jiang內nei置zhi二er極ji管guan的de導dao電dian減jian至zhi最zui少shao，確que保bao係xi統tong可ke以yi發fa揮hui最zui高gao的de效xiao率lv。若ruo采cai用yong這zhe個ge方fang法fa
，控kong製zhi器qi芯xin片pian需xu要yao添tian加jia更geng多duo引yin腳jiao，以yi致zhi芯xin片pian及ji電dian源yuan模mo塊kuai的de成cheng本ben會hui增zeng加jia。有you一yi點dian需xu要yao注zhu意yi，即ji使shi采cai用yong預yu測ce性xing門men極ji驅qu動dong
，也ye無wu法fa保bao證zheng場chang效xiao應ying晶jing體ti管guan不bu會hui因yin為wei 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。dancaiyongqudongqixinpianhuilingjichuanwentigengweifuza，youqishidangfuzaichuyushuntaiguochengzhizhong。liru，zhaipinqudongmaichongdeganrao
，zaijiashangqudongqichuxianchuanboyanchi
，douhuidaozhijichuanqingkuangdechuxian。dabufenqudongqixinpianshengchanshangdoutebieguidingkongzhiqidemaichongkuandubixubukediyumouyizuidideyaoqiu，ruodiyuzhegezuidiyaoqiu，bianbuhuiyoumaichongshuru 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） degongneng

，yizengqiangzishiyingzhuanhuandingshidezhunquexing。banfashizaikeshedingsiqushijianyinjiaoyujiedizhijianjiasheyigekeyongyishedingsiqushijiandedianzu
，yiquedinggaodiduanzhuanhuanguochengzhongdesiqushijian。zhegesiqushijianshedinggongnengjiashangchuanboyanchikejiangchuyuzhuanhuanguochengzhongdehubuxing 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、sanreshanjianxiexingtingdundengwentidounenggeiyuchongfendekaolv。caiyongfensanshijiegoudegongchengshidouxiwangsuoshejidexitongkeyilianxushiyonghenduonianerhenshaohuoshenzhibuhuichuxianguzhang。youyuceshishuzixianshidianyuanmokuaide MTBF 高達幾百萬小時
，要達到這個目標並不怎樣困難。

但(dan)經(jing)常(chang)被(bei)人(ren)忽(hu)略(lve)的(de)反(fan)而(er)是(shi)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)。照(zhao)目(mu)前(qian)的(de)趨(qu)勢(shi)看(kan)

，印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)麵(mian)積(ji)越(yue)縮(suo)越(yue)小(xiao)，但(dan)需(xu)要(yao)處(chu)理(li)的(de)電(dian)流(liu)量(liang)則(ze)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)，因(yin)此(ci)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)可(ke)能(neng)會(hui)引(yin)致(zhi)隱(yin)蔽(bi)式(shi)或(huo)其(qi)他(ta)通(tong)孔(kong)無(wu)法(fa)執(zhi)行(xing)正(zheng)常(chang)功(gong)能(neng)。印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)有(you)部(bu)分(fen)隱(yin)蔽(bi)通(tong)孔(kong)必(bi)須(xu)傳(chuan)送(song)大(da)量(liang)電(dian)流(liu)
，對(dui)於(yu)這(zhe)些(xie)隱(yin)蔽(bi)通(tong)孔(kong)來(lai)說(shuo)，其(qi)周(zhou)圍(wei)必(bi)須(xu)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)銅(tong)造(zao)防(fang)護(hu)裝(zhuang)置(zhi)為(wei)其(qi)提(ti)供(gong)保(bao)護(hu)，以(yi)確(que)保(bao)設(she)計(ji)更(geng)可(ke)靠(kao)耐(nai)用(yong)。這(zhe)種(zhong)防(fang)護(hu)裝(zhuang)置(zhi)也(ye)可(ke)抑(yi)製(zhi) z 軸zhou的de受shou熱re膨peng脹zhang幅fu度du，若ruo非fei如ru此ci，生sheng產chan過guo程cheng中zhong以yi及ji產chan品pin使shi用yong時shi印yin刷shua電dian路lu板ban的de環huan境jing溫wen度du一yi旦dan有you什shen麼me變bian化hua，隱yin蔽bi通tong孔kong便bian會hui外wai露lu。工gong程cheng師shi必bi須xu參can考kao印yin刷shua電dian路lu板ban廠chang商shang的de專zhuan業ye意yi見jian，徹che底di複fu檢jian印yin刷shua電dian路lu板ban的de設she計ji，而er印yin刷shua電dian路lu板ban廠chang商shang可ke以yi根gen據ju他ta們men的de生sheng產chan能neng力li提ti供gong有you關guan印yin刷shua電dian路lu板ban設she計ji可ke靠kao性xing的de專zhuan業ye意yi見jian。

總結

我(wo)們(men)若(ruo)要(yao)利(li)用(yong)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)組(zu)建(jian)可(ke)靠(kao)的(de)電(dian)源(yuan)供(gong)應(ying)係(xi)統(tong)
，便(bian)必(bi)須(xu)解(jie)決(jue)設(she)計(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)問(wen)題(ti)。上(shang)文(wen)集(ji)中(zhong)討(tao)論(lun)幾(ji)個(ge)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)鐵(tie)粉(fen)磁(ci)心(xin)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)、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。