改善板电源系统可靠性

最近几年,典型设备板上的电压显著地降低,很多情况下降到1V或更低,而总的板功率继续急增。增加的不同轨电压也使电源系统中轨之间定序和跟踪变复杂。同时,为了降低设备发生故障时间,对可靠性和可用性的要求不断增加。

有几种方法能满足电源系统增加设计要求而不牺牲可靠性。高可靠性电源转换器是这些方案的关键部分,但它们需要很好选择的总设备结构的支持。也必须注意电源系统集成。

板上电源系统

产品不再依靠简单的5V电源分布系统。当今,单个板上有6个或更多电压不是罕见的。某些高端系统有高达20个或更多分离电源轨,而大多数低于2V,在高电流时,必须有效地提供这些非常低的电压,而且必须满足愈加严格的稳压,纹波和瞬态性能指标。因此,现在分布电源系统通常在每块板上用多个DC-DC转换器来产生紧靠负载的低电压。

图1 典型的48V板电源系统,其中单隔离DC-DC转换器(砖式)产生馈入到大量非隔离POL电源转换器的5V中间总线电压

很多IC除需要非常低的电压轨外,在起动和关闭期间还需要电源轨之间的定序和跟踪。必须控制电源轨,以使它们之间的差别不超过规定的电压和时间限制,甚至在短瞬态条件下也能保证这样。这些要求与需要监控所有轨的过压(OV)和欠压(UV)保护结合起来,显然,板电源系统已脱离简单构建的范围。

电源系统实现

图1示出一个板电源系统实例。在此实例中,典型产品(如通信系统或高端计算服务器)由48Vdc供电。DC-DC转换器为板提供所需的电压轨并提供48V输入和逻辑输出之间所需的隔离。在此实例中,一个单隔离DC-DC转换器(通常称之为砖式转换器)产生5V中间总线电压,提供给大量非隔离负载点(POL)电源转换器。

不少制造商提供砖式和POL转换器做为很多输出电压和电流组合中的标准产品。这些标准产品,可以很方便地做为板电源系统中的组成单元而起作用。从图中可见,往往用1个单砖式,2个或更多砖式转换器产生最高电源所需的轨,而较低电源轨需用POL。电源转换器的多种组合能满足任何特殊板的专门要求。

为了协同DC-DC转换器的工作,板电源系统需要一个总的管理功能。隔离的初级边和次级边也需要管理。电源管理功能通常包括如下部分或全部要求：

在规定的输入电压开启和关闭电源系统;
　　在所要求时序控制所有输出的开启和关闭;
　　监控所有输出的OV和UV故障;
　　故障发生时控制关闭;
　　若需要,调节输出电压;
　　告知系统控制器电源状态;
　　电源可靠性

从两个不同方面来了解电源可靠性。

元件级：采用自下向上的元件级方法。其可靠性通常用平均失效时间(MTBF)或失效时间(FIT)表示。由于1FIT为109器件小时中1个失效,所以,1000FIT为1百万小时MTBF。两个最通用的判定方法是MIL-HDBK217和Telcordia TR-332。这类判定仅考虑元件失效,而没有考虑设计错误或不适当的性能指标。

系统级：系统须根据执行所需要功能的能力,采用自上而下的系统方法。这种方法可以从事于最坏情况的设计,仿真和完整系统的测试。测试必须足够,以保证设计在所有工作条件下满足所有所需求的功能,此过程称之为限制条件。必须遵从良好的设计策略。测试不可能唯一保证所有条件下正确的性能。最重要的是设计中要考虑上述两个方面的问题。

来源：电子产品世界