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)。

 

圖1：電源供應器

　　

　　

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 測試，以便剔除不合規格的產品。相較之下，集成式的解決方案便較難測試
，因為整個供電係統與電路上的其他功

能係統緊密聯係一起。

　　

● 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。

　　

　　

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。

　　

　　

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tu2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。

 

                                                           

圖2：測量輸出噪音數字

　　

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 dianliuceliangdezhunquexing
，shenzhilingceliangshuzichuxianhendadewucha。ruodianganqiyibaohe
，zekecaiyonglingyigengweizhunquedefangfaceliangdianliuliang

，liru，womenkeyiceliangyudianganqichuanxingyiqidexiaoxingfenludianzudedianya。

　　

　　

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。

　　

tiefenshigouchengcixindeyuancailiao，dantiefenhanyouxiaoliangdezazhirumengjige
，erzhexiezazhihuiyingxiangcixindekekaoxing，yingxiangchengdushihusuohanzazhideshuliang。womenkeyiliyongguangpudianzixianweijing (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。

　　

　　

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。

 

                                                               

圖3：同步降壓轉換器

　　

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 zhongxinqidong。zhegefangfajiaoweijiandan，danzhenzhengshixingshizeyaohenxiaoxin。ruosiqushijiantaiduan，kenengwufazuzhijichuanxianxiangdechuxian。ruosiqushijiantaichang，diandaosunhaobianhuizengjia，yinweidicengchangxiaoyingjingtiguanneizhideerjiguanzaizhengduansiqushijianneiyizhizaiqidong。youyuzhegeerjiguanhuizaisiqushijianneidaodian
，yincicaiyongzhegefangfadexitongxiaolvbianqujueyudiceng 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。

 

                                          

圖4：出現在低端MOSFET的dv/dt感生電平振幅

　　

自適應死區時間控製器負責在外麵監測 MOSFET 的門極電壓。因此


，任何新加的外置門極電阻會分去控製器內置下拉電阻的部分電壓，以致門極電壓實際上會比控製器監控的電壓高。

　　

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。

　　

大部分驅動器芯片生產商都特別規定控製器的脈衝寬度必須不可低於某一最低的要求
，若低於這個最低要求
，便不會有脈衝輸入 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。

　　

　　

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。

　　

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。

　　

yinshuadianlubanyoubufenyinbitongkongbixuchuansongdaliangdianliu，duiyuzhexieyinbitongkonglaishuo
，qizhouweibixuyouzugoudetongzaofanghuzhuangzhiweiqitigongbaohu
，yiquebaoshejigengkekaonaiyong。zhezhongfanghuzhuangzhiyekeyizhi 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。

　　

　　

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。