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高效率的DC/DC转换器技术
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引言
提高DC/DC转换器的效率，从而改善热性能、提高可靠性及降低成本，一直是电源设计人员所追求的。如今，可以安装在电路板上的DC/DC转换器供货商在提高电源产品的效率方面已经取得了重大进展。标准的半砖封装的电源产品可以提供高达60amps的电流，标准的1/4砖封装电源产品能够供应30amps的电流，效率超过90％。
在性能方面的这个巨大进展之所以能够实现，是因为出现了高性能的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)，在同步整流器中用它取代普通设计中使用的二极管整流器。由于这个重大变化，与前一代的产品相比，可以把高效率DC/DC转换器的功率密度增大一倍。
虽然这个进展对产业界有着巨大影响，但还有许多其它因素影响电源模块的可靠性。设计人员在把DC/DC转换器用到他们的系统中时，有许多问题不能不考虑到，本文旨在讨论这些问题。
电源模块的可靠性
现在大多数的仿真与数字集成电路是非常可靠的，大多数设备制造商都使用由相同供货商提供类似的组件。因此，电源系统是制造商能够把自已的产品与竞争对手区别的一个地方。消息灵通的设计人员也都知道，现在的高功率密度转换器的可靠性差别很大，这是因为它的设计很复杂、组件承受过载电压和过载电流的能力和功耗不同。
值得注意的是，虽然高效率协助降低了热功耗，这并不等于说可靠性也相应地提高。为了确保产品具有最好的性能表现，设备制造商必须明了那些影响电源模块可靠性的因素，包括：
*系统的工作温度；
*DC/DC转换器供货商为了达到安全工作温度内部设计规则；
*DC/DC组件的指针，特别是半导体器件的指针；
*系统中的气流及其在电源模块上流动的方向；
*电源模块的输入电压及负载的要求；
*系统需要的供电及温度变化状况。
所有这些因素都影响电源模块的可靠性。系统设计人员可控制的一个最重要因素是电源模块的温度。一个很好的例子是，爱立信所有高功率产品都是设计成可在高外壳或底板的温度下工作，以满足对专用应用产品的需求，达到电信及信息技术市场的需要。只要在规定的范围下操作，爱立信的电源模块将可与所有在低于其最高温度工作的组件一起，发挥安全、可靠的功能。
高效率与标准效率电源模块的优点
与标准效率的电源模块比较，高效率电源模块为硬件设计人员带来一系列优点和好处：
有底板与无底板电源模块的优点
高效率电源模块有两种，一种是有底板的，一种是没有底板的。爱立信标准的有底板产品为设计人员带来以下的优点和好处：
电源模块的设计规则
众所周知，大多数电子系统的可靠性都受温度影响。人们通常使用设计规则来比较故障率的数字。根据爱立信的准则，其中一条设计规则显示组件在65°C以上的环境下工作时，温度每上升10°C，故障率便增加一倍。这个常用的规则是基于以下的假定：用作比较的产品是用类似的设计和制造原理制作的，而组件是在相近的条件下工作（例如，在指定的外围环境下，芯片的温度也相同）。实际上，这个"模块相似性"的假定很少是对的。一家模块制造商可能使用温度接近组件之绝对最高额定值的半导体，而另一家厂商或许会根据保守的内部额定值准则进行设计。不同的设计条件会对模块的整体性能及可靠性造成影响。
根据另一个设计规则，如果组件是在其额定最高结温(Tjmax)的70-80%下工作，将享有很高的可靠性。请注意，对半导体来说，Tjmax通常保证为
+150°C或+175°C。根据这些数字，半导体器件的结温应该分别维持在低于+120°C和+135°C的水平。按照这个设计规则保持结温处于较低水平，将可大大地提高整个系统的可靠性。
确定热性能
电源制造商通过内部测试为DC/DC转换器制定了热指针，或者降额曲线。这些测试通常是用风洞系统协助进行，以确定在不同对流条件下电源模块的热性能。不幸地，每家DC/DC转换器制造商都是按照自己的内部标准进行测试。而这些标准往往受到个别的工程人员或政策、现有的测试设备、测试费用、市场推广和销售要求，以及许多其它因素所影响。这些变量意味着DC/DC转换器的降额曲线会造成误导，设备制造商应当考虑到这些内部测试的结果以及所用的方法。以下是可能影响这些个别、非标准测试的部分因素：
降额曲线-它们如何产生的？
风洞有多种不同的形状和尺寸，加上电源模块可以放置在风洞的不同位置，这些都会影响测试结果。究竟是风洞强迫空气流过DC/DC转换器，还是空气可自由流过模块的四周呢？爱立信的气流系统庞大，足以让气流在模块的四周流动，这与漏斗式风洞不同。漏斗式风洞强迫空气直接吹到模块上面。由于大多数的应用并不是采用漏斗式或强迫式气流，因此非漏斗式测试程序将可得到最稳健的结果。
气流的测量也是很重要的。气流是用风速表测量还是通过计算体积得到的？气流是在什么位置进行测量的呢？举例说，爱立信是利用热线风速表直接测量模块前的气流，以保证流量的准确度。
气流是紊流还是层流？紊流会获得较佳的测试结果。不论是紊流或层流，它们是如何产生和维持的？是否连续不断的重复？爱立信的气流系统利用层流，是比较保守稳健的方法。
某些“特殊”方向能自然地获得较佳的性能，而一些电源供应的广告突出了在这些特殊方向的测量结果。如在其它方向其性能又如何？降额曲线是基于最佳还是最差的方向个案？爱立信的信条一直是要作全方位的考虑。因此，爱立信的降额曲线是根据在最坏的方向进行，确保在任何方向下电源模块操作都不受影响。
究竟曲线是基于典型样品，还是最佳样品的测试结果而得到的？是利用了典型还是最佳效率的模块？爱立信是利用典型的效率模块进行测试的。
测试电路板的尺寸及结构是什么样的？这些关键散热测试板的尺寸和结构并没有标准可循。供货商可轻易地针对得到正面降额曲线的目的而设计出一块很好的散热测试板。
温度可以多长时间保持稳定？明显地，稳定的时间越长，测量的结果越准确。爱立信是经过近一个小时的稳定后对每个数据点进行测量。基于这个方法，测量结果足以保证温度的稳定性，虽然实际测试的时间会长一些。我们相信，准确性是预备热降额曲线最重要的一环。为了确保对系统运作及可靠性起着关键作用的组件获得最佳性能，我们建议基于用户的特殊应用，对模块的测试进行个别比较。 发热图像-良好的画像之外的问题
确定热性能的另一个方法，就是利用发热图像，即是使用红外摄影机来测量温度。这对于确定正确温度非常有效，并已获证明是一个十分有用的工具，以推广电源产品。但是，用户必须小心，要深入研究画像之外，还要询问有关模块的方向、气流的类型、稳定时间有多长等。此外，还要请有关厂商在不同方向进行红外扫描，并且对色版进行评估，因为色版会经常为增加效果而进行改变。比较热数据的最佳方法，是将不同的模块并排起来作红外扫描(包括不同方向和测试板)。
可靠性对整个系统成本的影响
近年，可靠性已获确认为电源系统设计的一个关键。其中，系统可用性和客户满意程度更成了大家关注的焦点，只有少数人留意可靠性如何会影响系统制造商的最低成本。在比较DC/DC转换器的可靠性指针时，首先要明了这些指针是在什么假定和情况下得到的。可靠性与热性能及工作温度的关系十分密切。工作温度每上升10°C，故障率就增大一倍。
在典型的系统中，由于受到机柜内其它组件所产生热量的影响，电源模块附近空气的温度一般在55°C左右。爱立信的电源模块可靠性指针是按底板温度为90°C获得的。因此，对电讯及数据通讯应用产品来说，MTBF（无故障平均时间）的计算是非常有意义的。
小结
高效率电源模块较标准效率电源模块提供更高的性能表现及成本优势，对电讯及数据通信行业带来巨大和积极的影响。但对一个应用设备而言，如何确定哪是最合适的高效率电源模块？要做出这个决定并不容易，因为不同的
DC/DC
产品供货商都会推销自己的产品，而有时有关的测试结果又会令人混淆不清。对希望制造高性能/高可靠性/高价值产品的制造商，建议最好把注意力放在影响热性能和长期可靠性的重要变量上。设备制造商需要的
DC/DC电源模块供货商必须能够：在温度上升时提供最高效率；消耗最少电能/需要最少的散热；在底板/基板中温度上升的幅度最少。
摘自《国际电源商情》
提高DC/DC转换器的效率，从而改善热性能、提高可靠性及降低成本，一直是电源设计人员所追求的。如今，可以安装在电路板上的DC/DC转换器供货商在提高电源产品的效率方面已经取得了重大进展。标准的半砖封装的电源产品可以提供高达60amps的电流，标准的1/4砖封装电源产品能够供应30amps的电流，效率超过90％。
在性能方面的这个巨大进展之所以能够实现，是因为出现了高性能的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)，在同步整流器中用它取代普通设计中使用的二极管整流器。由于这个重大变化，与前一代的产品相比，可以把高效率DC/DC转换器的功率密度增大一倍。
虽然这个进展对产业界有着巨大影响，但还有许多其它因素影响电源模块的可靠性。设计人员在把DC/DC转换器用到他们的系统中时，有许多问题不能不考虑到，本文旨在讨论这些问题。
电源模块的可靠性
现在大多数的仿真与数字集成电路是非常可靠的，大多数设备制造商都使用由相同供货商提供类似的组件。因此，电源系统是制造商能够把自已的产品与竞争对手区别的一个地方。消息灵通的设计人员也都知道，现在的高功率密度转换器的可靠性差别很大，这是因为它的设计很复杂、组件承受过载电压和过载电流的能力和功耗不同。
值得注意的是，虽然高效率协助降低了热功耗，这并不等于说可靠性也相应地提高。为了确保产品具有最好的性能表现，设备制造商必须明了那些影响电源模块可靠性的因素，包括：
*系统的工作温度；
*DC/DC转换器供货商为了达到安全工作温度内部设计规则；
*DC/DC组件的指针，特别是半导体器件的指针；
*系统中的气流及其在电源模块上流动的方向；
*电源模块的输入电压及负载的要求；
*系统需要的供电及温度变化状况。
所有这些因素都影响电源模块的可靠性。系统设计人员可控制的一个最重要因素是电源模块的温度。一个很好的例子是，爱立信所有高功率产品都是设计成可在高外壳或底板的温度下工作，以满足对专用应用产品的需求，达到电信及信息技术市场的需要。只要在规定的范围下操作，爱立信的电源模块将可与所有在低于其最高温度工作的组件一起，发挥安全、可靠的功能。
高效率与标准效率电源模块的优点
与标准效率的电源模块比较，高效率电源模块为硬件设计人员带来一系列优点和好处：
有底板与无底板电源模块的优点
高效率电源模块有两种，一种是有底板的，一种是没有底板的。爱立信标准的有底板产品为设计人员带来以下的优点和好处：
电源模块的设计规则
众所周知，大多数电子系统的可靠性都受温度影响。人们通常使用设计规则来比较故障率的数字。根据爱立信的准则，其中一条设计规则显示组件在65°C以上的环境下工作时，温度每上升10°C，故障率便增加一倍。这个常用的规则是基于以下的假定：用作比较的产品是用类似的设计和制造原理制作的，而组件是在相近的条件下工作（例如，在指定的外围环境下，芯片的温度也相同）。实际上，这个"模块相似性"的假定很少是对的。一家模块制造商可能使用温度接近组件之绝对最高额定值的半导体，而另一家厂商或许会根据保守的内部额定值准则进行设计。不同的设计条件会对模块的整体性能及可靠性造成影响。
根据另一个设计规则，如果组件是在其额定最高结温(Tjmax)的70-80%下工作，将享有很高的可靠性。请注意，对半导体来说，Tjmax通常保证为
+150°C或+175°C。根据这些数字，半导体器件的结温应该分别维持在低于+120°C和+135°C的水平。按照这个设计规则保持结温处于较低水平，将可大大地提高整个系统的可靠性。
确定热性能
电源制造商通过内部测试为DC/DC转换器制定了热指针，或者降额曲线。这些测试通常是用风洞系统协助进行，以确定在不同对流条件下电源模块的热性能。不幸地，每家DC/DC转换器制造商都是按照自己的内部标准进行测试。而这些标准往往受到个别的工程人员或政策、现有的测试设备、测试费用、市场推广和销售要求，以及许多其它因素所影响。这些变量意味着DC/DC转换器的降额曲线会造成误导，设备制造商应当考虑到这些内部测试的结果以及所用的方法。以下是可能影响这些个别、非标准测试的部分因素：
降额曲线-它们如何产生的？
风洞有多种不同的形状和尺寸，加上电源模块可以放置在风洞的不同位置，这些都会影响测试结果。究竟是风洞强迫空气流过DC/DC转换器，还是空气可自由流过模块的四周呢？爱立信的气流系统庞大，足以让气流在模块的四周流动，这与漏斗式风洞不同。漏斗式风洞强迫空气直接吹到模块上面。由于大多数的应用并不是采用漏斗式或强迫式气流，因此非漏斗式测试程序将可得到最稳健的结果。
气流的测量也是很重要的。气流是用风速表测量还是通过计算体积得到的？气流是在什么位置进行测量的呢？举例说，爱立信是利用热线风速表直接测量模块前的气流，以保证流量的准确度。
气流是紊流还是层流？紊流会获得较佳的测试结果。不论是紊流或层流，它们是如何产生和维持的？是否连续不断的重复？爱立信的气流系统利用层流，是比较保守稳健的方法。
某些“特殊”方向能自然地获得较佳的性能，而一些电源供应的广告突出了在这些特殊方向的测量结果。如在其它方向其性能又如何？降额曲线是基于最佳还是最差的方向个案？爱立信的信条一直是要作全方位的考虑。因此，爱立信的降额曲线是根据在最坏的方向进行，确保在任何方向下电源模块操作都不受影响。
究竟曲线是基于典型样品，还是最佳样品的测试结果而得到的？是利用了典型还是最佳效率的模块？爱立信是利用典型的效率模块进行测试的。
测试电路板的尺寸及结构是什么样的？这些关键散热测试板的尺寸和结构并没有标准可循。供货商可轻易地针对得到正面降额曲线的目的而设计出一块很好的散热测试板。
温度可以多长时间保持稳定？明显地，稳定的时间越长，测量的结果越准确。爱立信是经过近一个小时的稳定后对每个数据点进行测量。基于这个方法，测量结果足以保证温度的稳定性，虽然实际测试的时间会长一些。我们相信，准确性是预备热降额曲线最重要的一环。为了确保对系统运作及可靠性起着关键作用的组件获得最佳性能，我们建议基于用户的特殊应用，对模块的测试进行个别比较。 发热图像-良好的画像之外的问题
确定热性能的另一个方法，就是利用发热图像，即是使用红外摄影机来测量温度。这对于确定正确温度非常有效，并已获证明是一个十分有用的工具，以推广电源产品。但是，用户必须小心，要深入研究画像之外，还要询问有关模块的方向、气流的类型、稳定时间有多长等。此外，还要请有关厂商在不同方向进行红外扫描，并且对色版进行评估，因为色版会经常为增加效果而进行改变。比较热数据的最佳方法，是将不同的模块并排起来作红外扫描(包括不同方向和测试板)。
可靠性对整个系统成本的影响
近年，可靠性已获确认为电源系统设计的一个关键。其中，系统可用性和客户满意程度更成了大家关注的焦点，只有少数人留意可靠性如何会影响系统制造商的最低成本。在比较DC/DC转换器的可靠性指针时，首先要明了这些指针是在什么假定和情况下得到的。可靠性与热性能及工作温度的关系十分密切。工作温度每上升10°C，故障率就增大一倍。
在典型的系统中，由于受到机柜内其它组件所产生热量的影响，电源模块附近空气的温度一般在55°C左右。爱立信的电源模块可靠性指针是按底板温度为90°C获得的。因此，对电讯及数据通讯应用产品来说，MTBF（无故障平均时间）的计算是非常有意义的。
小结
高效率电源模块较标准效率电源模块提供更高的性能表现及成本优势，对电讯及数据通信行业带来巨大和积极的影响。但对一个应用设备而言，如何确定哪是最合适的高效率电源模块？要做出这个决定并不容易，因为不同的
DC/DC
产品供货商都会推销自己的产品，而有时有关的测试结果又会令人混淆不清。对希望制造高性能/高可靠性/高价值产品的制造商，建议最好把注意力放在影响热性能和长期可靠性的重要变量上。设备制造商需要的
DC/DC电源模块供货商必须能够：在温度上升时提供最高效率；消耗最少电能/需要最少的散热；在底板/基板中温度上升的幅度最少。
摘自《国际电源商情》
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