模块电源的测试及热设计

1 模块电源的主要参数测试

本章介绍模块的主要参数测试电路和技术
1．1 测量电路的组成
模块电源的测试电路如图16所示。它由被测模块电源、测试仪表(电压表、电流表)、可调电压源、可调负载组成。测试AC／DC模块时，可调电压由自耦变压器接200V交流电源实现。如果测试DC／DC模块，可用直流可调电源代替自耦变压器。负载的大小应按测试模块额定负载来设置。
环境温度应在25℃左右。电压测量必须遵守标准的四线制测量法。

1．2 输出电压准确度
输出电压准确度应在额定的输出负载和标称输入电压下用一精密的、校验过的直流电压表进行测试，并按下列方式进行计算：
1．3 源效应(输入调整率)
测量源效应时。应在额定负载恒定的条件下，先测量标称输入电压时的输出电压值。再分别测量最大输入电压和最小输入电压时的输出电压值。
取这两种输出电压与标称输入电压所对应的输出电压值之间的最大偏差电压，按下式计算：

1．4 负载效应(负载调整率)
测试负载效应时，应该保持输入值在标称值的条件下，先测额定负载(满载)时的输出电压，再测空载时的输出电压，按下式计算：

1．5 温度系数
测试温度系数时，应该将被测试模块放进温度测试箱中，在额定输出负载下，改变温度，测相应的输出电压值。首先测量温度在25~C时的输
出电压，再分别测量温度为最大工作温度及最小工作温度时的输出电压值。每改变一次温度，应
使模块稳定15～30min后再测量，以温度为25~C及相应的输出电压为基准，分别计算最高工作温度和最低工作温度时，电压变化与温度变化比值的百分数，取其较高者定为该模块的温度系数。
1．6 输出纹波及噪音
纹波及噪音测量是在额定负载和25~C的环境温度下，在模块的输出端进行的交流测量。一般情况下，纹波电压可以用有效值或峰～ 峰值来测量。对一个线性电源来说，输出纹波电压是一个几乎不含高频成分的100Hz或120Hz的波形，它可以很方便地用带宽较低的示波器测量峰一峰值或用有效值电压表测量有效值。
对开关电源来说，输出纹波电压是一系列包含高频分量的小脉冲波。通常规定用峰一峰值表示而不用有效值，因为幅度高、宽度很窄的尖峰有效值很低。例如，开关电源的输出纹波峰一峰值为50mV时，其有效值可能仅有5mV时。所以，测量含有高频分量的纹波时，应该使用带宽大于20MHz的示波器测量峰一峰值。
图17是开关电源输出纹波电压的波形，它由三种不同的频率分量组合而成，首先是来自输入整流和滤波器的100Hz或120Hz的低频分量，其次是与开关频率一致的高频分量，最后是叠加在高频分量上的尖峰脉冲。

图17 开关电的输出纹渡波形图

实际测量纹波电压时，应该去掉示波器的地线夹，将示波器的探针直接与电源正极相连，探针外面的接地环与电源负极相连，如图18所示。
因为示波器地线夹放置在高频辐射场中，就像天线接收器一样，拾取辐射噪声，给纹波测量带来不必要的误差。
图18 用示波器探头测输出纹波
图19是用同轴电缆测量纹波电压的方法。由图19可知，用一条50Q同轴电缆直接连接到示波器，DC／DC变换模块和示波器同时放在一块地板上，这是一个低抗阻的屏蔽测量法，可减小外来噪声的拾取。另外在DC／DC变换器输入端接上一
个平衡非平衡变压器，抑制输出端的共模噪声。
应该注意，用这种方法测量，在示波器上看到的峰一峰值波形是实际值的一半。

图19 用同轴电缆测量输出纹波
图20是用双绞线测量输出纹波的方法。由图20可知，测试现场要放置一大块铝(或铜)地板，被测电源安装在高于地板2．5cm的位置，电源输出的公共端和交流输入接地端用小于5cm长的粗1O3＼2007年第6期
导线连到地板上，用16号铜线制作一个长度大约为30cm的双绞线，双绞线的终端连接一只47 F的电容器(注意电容器的极性和额定电压)。示波器探头上的接地线应该用尽可能短的导线连接到探头的接地环上。示波器的带宽应大于50MHz，并且示波器必须接地。

1．7 输入反射纹波电流
输入反射纹波电流是DC／DC变换模块的重要特性，它是由DC／DC变换模块中的开关工作时产生的纹波并反馈到直流输入端的一种高频交流电流。通常用电流峰一峰值表示。反射纹波电流的测量电路如图21所示，这是一种最简单最直接的测量方法，因为被测电流是含有高频分量的输入电流，所以要用20MHz带宽的电流探头和示波器。

图21 反射纹波电流的测量
负载
1．8 输入共模噪声电流
共模噪声电流是由开关电源或DC／DC变换器的开关动作而引起的高频电流。它是从电源的输出端通过外接地线传播到每一个输入端的噪声电流。测量电路如图22所示。与反射纹波电流测量一样，需要一只宽带电流探头。

2 模块电源的可靠性
电子系统不论大小，几乎都需要电源。然而由于电源内部的元件要在高温、高压、高电流下工作，因此电源内部的元件比系统内的其它元件较容易损坏，所以电源往往也是系统中最不可靠的部分。由于许多重要的应用，电源一旦出现故障时会引起灾难性的系统运行停顿，所以了解和提高电源的可靠性是十分重要的。本节就可靠性的概念、计算、与温度的关系以及如何提高电源系统的可靠性等问题作了较为深刻的阐述。
2．1 可靠性的有关概念
2．1．1 可靠性
可靠性是评价产品质量的一种科学指标。其精确定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力。
由此定义可知，产品的可靠性受“规定的条件”的制约。很显然，环境条件不同，工作方式不同，均会直接影响产品的可靠性。同样，产品的可靠性也是与“规定的时间”有关的。电子产品经过老化筛选，在稳定工作相当长一段时间后，其可靠性水平会随时间的增加而降低。所以一定的可靠性是相对于一定的时间而言的。另外，产品的可靠性是与“规定的功能”紧密相连的。“规定的功能”就是产品的性能指标。产品的可靠性可以针对产品完成某种功能而言，也可以针对其多种功能的综合而言。因此，在讨论具体产品的可靠性时，必须对产品的故障判据以明确的规定。

的产品来说，它在规定的条件下和规定的时间内，能否完成规定的功能是无法事先知道的，也就是说，这是个随机事件。因此我们可以用产品完成规定功能的统计规律一“概率”这一尺度来定量地描述可靠性，这就是可靠度。
2．1．2 可靠度
可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。它是时间的函数，记作R(f)，也可称为可靠度函数。它是产品可靠性的定量表示。
有Nn个同样系统，使它们同时工作在同样条件下，从它们开始运行到f时刻的时间内，有N个系统发生故障， 个系统工作完好，则该系统在们寸间的可靠度为：

2．1．3 故障率
故障率是工作到t时刻尚未失效的产品在该时刻后的单时间内发生失效的概率。记为 (日，其单位为h～，菲特(Fit)等，1菲特=10—9h～。
2．1．4 平均无故障时间MTBF
MTBF是英文Mean Time Between Failures的简写形式，它是可修复产品的平均寿命。MTBF是指两次相连故障间的平均工作时间，而不是指每个产品报废(失效)的时间。MTBF与有大致如下的关系：

图23为式(8)所得的可靠性与时间的关系图。
由图23可以得出以下几点结论：
①R(0是一个值在0～l之间的概率。
②如果电源模块工作的时间等于其MTBF的10％时，则它有0．9的生存概率。
③如果电源模块工作的时间等于它的MTBF，则它的生存概率为0．37。
图中的小表给出了图中没有标出R( 的值。
图25 可靠性与时间的关系
2．2 “浴盆曲线”
电源模块的故障曲线如图24所示。这种类似浴盆的曲线对大多数电子装置或设备来说也是成立的。这就是在讨论可靠性时常常提到的所谓“浴盆曲线” 。从曲线上可以看出，产品的故障率随时间的推移大体可以分为三个阶段：早期失
效期、有效工作期和损耗失效期。在早期失效期内，故障率高，随着运行时间的延长，性能差的元件逐步因损坏而被淘汰后，故障率逐渐下降。这些早期的故障可以通过老化及出厂测试来消除。
早期失效期过后，元件的故障率变低并且变化不大，接近常数，这个阶段是元件的有效工作期。
产品可靠性指标所描述的就是这个时期。这个时期是产品运行的最佳时期。在此期间，故障由很多种不同的偶发性原因所造成而随机出现。此期间内的故障数据可用统计的方法来收集和推导出。有效工作期过后，产品到了损耗失效期。在此期间由于元件的老化和损耗，故障率迅速增加，元件已到达工作寿命的终结。所有元件都会在此期间损坏。
我们最关心的是产品的有效工作期，在此期间，当 ( 为常数时，其寿命可以认为服从指数分布。故障率是标志产品可靠性的常用数量特征之一，故障率越低，则可靠性越高。 中国可靠性网：http://www.kekaoxing.com 更多可靠性资讯
图24 浴盆曲线
2．3 MTBF的计算
在计算如电源这类系统的可靠性时，我们通常假设其故障模型是串联模型，也就是说，一旦系统中最弱的单元失效，系统便失效。在此假设下，系统的可靠度为

MTBF值是元件可靠性的重要指标。它的重要性在于它可以预测设备工作寿命期内的元件故障的数量。例如，在某个设备中使用Ⅳn个相同的元件，在设备工作期T内预料会出现的元件故障数量N ，可推算为Nf Ⅳ0 算出的故障数量可用来估计
在设备工作期内故障出现的频密程度及次数，维修工作的次数及后备元件的库存量的需要。
元件的MTBF可用实际故障数量来计算，也可以用标准方法来预测。
以实际故障数量来计算MTBF值的方法是将所有元件的累计工作时间除以在工作期内发生的故障数量来求得。以公式表示即

以此方法计算出来的值有时被称为“经验证的MTBF(demonstrated MTBF)”，因为它是最准确的可靠性数据。然而，只有当大量元件在实际使用了相当长一段时间后，才可算出此数据，而不能在使用元件的早期由计算得到。
如果通过查可靠性标准手册(如美国国防部出版的《MIL—HDBK一217F》)得出每个组成元件的故障率，而后计算整个系统的故障率，这种方法称为“预测的MTBF(Calculated MTBF)”。
“经验证的MTBF”一般由制造厂家给出，它是电源可靠性最准确的描述。它反映了所测的系统在应用范围内真实性能。但是很明显，这种经验证的MTBF对于新产品来说是不合适的。为此预测MTBF被提出来，它仅适合于工作在标准工作温度下的电源系统。图25是工作在25～75~C的瓤块电源 电源产品应用
环境温度范围情况下某个电源系统预测的MTBF与温度的关系图。
图25虽然是由某一特定的电源系统而得出的，但是其曲线的形状对电源系统而言具有普遍性。从这里可以看出，冷却的意义是很大的。工作在较低的温度下会大大提高系统的可靠性。

图25 预测的MTBF与温度的关系

2．4 提高模块电源可靠性的方法
热是电源的第一杀手，要使电源具有高可靠性，其中最重要的一点就是保持元件的温度低。
实质上就是要尽可能地将电源内部的热量散发出来，使电源系统工作在额定温度之下。要提高模块电源的可靠性，可以采用以下几种方法。
2．4．1 提高电源系统的效率
我们知道对于电源系统而言，

式中叼为电源的效率，P。、P1分别为输出功率和输入功率，输出功率和效率一般由制造厂家给出。
另外从图26可以推出电源本身的功率损耗( )
与输出功率(P。)及效率(叼)之间的关系如式

图26 电源变换器中的能量流向图
电源系统的壳温是很重要的，对于一个给定输出功率的电源系统而言，外壳温升为

式中△T为外壳温升，A为外壳的面积，竹为效率，J{为辐射与对流常数的乘积。上述方程给出了一个电源的温度限制范围。图27给出了一个典型的电源变换器的外壳温升与效率的关系曲线。图中曲线对应一个输出功率为5W的密封型模块电
源，模块的标准尺寸是9em×3．8cm×3．2era，环境温度为25~C。

图27 电源外壳温升与效率的关系从图27中可以看出，当效率从75％降到25％，壳温升从7℃升到55~C。加上环境温度(25~C)，外壳实际温度相应地从32~C上升到80~C。这说明效率在热设计中起重要作用。
2．4．2 降额使用
元件的降额使用是可靠性设计中必须采用的设计技术之一。所谓降额使用，即使元器件应用在比额定值低的应力(如热应力、电应力)状态。
它之所以必须，是因为电子元器件的可靠性与其承受的应力强度之间有一定的依赖关系。应力越大，可靠性越低。另外，元器件手册中规定的性lO7＼2007年第6期
能特性参数往往是以标准的特定环境应力为基础的标称值，实际使用场合的工作环境条件经常超过上述环境应力条件。因此只有将元器件降额到足以补偿所增加的环境应力时，才能达到可靠性指标的要求。若元器件的工作环境条件与标准的特定应力环境条件相同，考虑到元器件的性能参数都呈现某种非线性分布，也应采用降额设计技术以获得较大的安全余量。
我国电子工业部颁布的《电子设备可靠性预测手册》中给出了电子元器件降额使用方法。对于不同的元件，降额的方法是不一样的，电阻的降额方法是减低功率比，电容的降额方法上降低其工作电压，半导体器件的降额方法上将功耗保持在额定功耗之内，数字集成电路通过周围环境温度和电负荷来降额。线性集成电路、大规模集成电路和半导体存储器也是通过降低周围环境温度来实行降额的。
2．4．3 加装散热片
2．4．4 强制风冷
如果前面几种措施均不很有效的话，可以考虑进行强制风冷散热，在强制风冷的系统设计中，着重考虑风扇(机)的选择、风道的设计，使气流按规定的路径，合理的气流量流过各元件，使它们在规定的温度下工作。
综上所述，提高电源效率、降额使用、加装散热器、强迫风冷都是为了提高电源系统的可靠性所常用的一些方法。这些方法对模块电源输出功率额定值的影响如图28所示。如果在正常情况下，降额曲线从50～70~C， 那么增加一些其它的措施后将会使降额曲线右移，也就是说，不降额的温度范围会宽一些。

热设计资料下载：  模块电源的测试及热设计.pdf

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