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如何讓電路的心髒——“電源”更可靠

發布時間：2020-05-25 責任編輯：lina

【導讀】目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結於元器件的可靠性和製造裝配的工藝,忽略了係統設計和環境溫度對可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

1引言

kaiguandianyuanshigezhongxitongdehexinbufen。kaiguandianyuandexuqiuyuelaiyueda，tongshiduikekaoxingtichuleyuelaiyuegaodeyaoqiu。shejixitongkekaoxingdeyinsuhenduo。muqian，renmenrenshishangdezhuyaowuqushibakekaoxingwanquan（或基本上）歸結於元器件的可靠性和製造裝配的工藝,忽略了係統設計和環境溫度對可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。

如何讓電路的心髒——“電源”更可靠

在民用電子產品領域，日本的統計資料表明，可靠性問題80％源於設計方麵（日本把元器件的選型、質量級別的確定、元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因）。以上兩方麵的數據表明，設計及元器件（元器件的選型，質量級別的確定，元器件的負荷率）的原因造成的故障，在開關電源故障原因中占80％左右。減少這兩方麵造成的開關電源故障，具有重要的意義。總之，對係統的設計者而言，需要明確建立“可靠性”這zhe個ge重zhong要yao概gai念nian，把ba係xi統tong的de可ke靠kao性xing作zuo為wei重zhong要yao的de技ji術shu指zhi標biao，認ren真zhen對dui待dai開kai關guan電dian源yuan可ke靠kao性xing的de設she計ji工gong作zuo，並bing采cai取qu足zu夠gou的de措cuo施shi提ti高gao開kai關guan電dian源yuan的de可ke靠kao性xing，才cai能neng使shi係xi統tong和he產chan品pin達da到dao穩wen定ding、可靠的目標。本文就從這兩個方麵來研究與闡述。

2、係統可靠性的定義及指標

國際上，通用的可靠性定義為：zaiguidingtiaojianxiaheguidingdeshijiannei，wanchengguidinggongnengdenengli。cidingyishiyongyuyigexitong，yeshiyongyuyitaishebeihuoyigedanyuan。miaoshuzhezhongsuijishijiandegailvkeyonglaizuoweibiaozhengkaiguandianyuankekaoxingdetezhenglianghetezhenghanshu。conger，yinchukekaodu[R（t）]的定義：係統在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。

如係統在開始（t=0）時有n0個元件在工作，而在時間為t時仍有n個元件在正常工作，

則

可靠性　　 R(t)=n/n0　　0≤R(t) ≤1

失效率　　 λ(t)= - dinR(t)/dt

λ定義為該種產品在單位時間內的故障數，即λ=dn/dt。

如失效率λ為常數，則

dn/dt=-λt

n=n0e-λt

R(t)=e-λt0　　　　　

MTBF（平均無故障時間）=1/λ

平均無故障時間（MTBF）是開關電源的一個重要指標，用來衡量開關電源的可靠性。

3、影響開關電源可靠性的因素

從(cong)各(ge)研(yan)究(jiu)機(ji)構(gou)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)和(he)負(fu)荷(he)率(lv)對(dui)可(ke)靠(kao)性(xing)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)，這(zhe)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)對(dui)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)，下(xia)麵(mian)將(jiang)從(cong)這(zhe)兩(liang)方(fang)麵(mian)分(fen)析(xi)，如(ru)何(he)設(she)計(ji)出(chu)高(gao)可(ke)靠(kao)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)。其(qi)中(zhong)：PD為使用功率；PR為額定功率主。UD為使用電壓；UR為額定電壓。

3.1 環境溫度對元器件的影響

3.1.1 環境溫度對半導體IC的影響

矽三極管以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環溫度對可靠性的影響，如表2所示。

由表2可知，當環境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了30倍。

3.1.2 環境溫度對電容器的影響

以UD/UR=0.65使用負荷設計則環境溫度對可靠性的影響如表3所示。

從表3可知，當環境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了14倍。

3.1.3 環境溫度對電阻器的影響

以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環境溫度對可靠性的影響如表4所示。

從表4可知，當環境溫度Ta從20℃增加到80℃時，失效率增加了4倍。

3.2 負荷率對元器件的影響

3.2.1 負荷率對半導體IC的影響　　　

當環境溫度為50℃時，PD/PR對失效率的影響如表5所示。

由表5可知，當PD/PR=0.8時，失效率比0.2時增加了1000倍。

3.2.2 負荷率對電阻的影響

負荷率對電阻的影響如表6所示。

從表6可以看出，當PD/PR=0.8時，失效率比PD/PR=0.2時增加了8倍。

4、可靠性設計的原則

我們可以從上麵的分析中得出開關電源的可靠性設計原則。

4.1可靠性設計指標應包含定量的可靠性要求。

4.2可靠性設計與器件的功能設計相結合，在滿足器件性能指標的基礎上，盡量提高器件的可靠性水平。

4.3應針對器件的性能水平、可靠性水平、製造成本、研製周期等相應製約因素進行綜合平衡設計。

4.4在可靠性設計中盡可能采用國、內外成熟的新技術、新結構、新工藝和新原理。

4.5對於關鍵性元器件，采用並聯方式，保證此單元有足夠的冗佘度。

4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數目。

4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。

4.8 選用高質量等級的元器件。

4.9 原則上不選用電解電容。

4.10 對電源進行合理的熱設計，控製環境溫度，不致溫度過高，導致元器件失效率增加。

4.11 盡量選用矽半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。

4.12 應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件，禁止選用塑料封裝的器件。

5、可靠性設計

5.1 負荷率的設計

由you於yu負fu荷he率lv對dui可ke靠kao性xing有you重zhong大da影ying響xiang，故gu可ke靠kao性xing設she計ji重zhong要yao的de一yi個ge方fang麵mian是shi負fu荷he率lv的de設she計ji，跟gen據ju元yuan器qi件jian的de特te性xing及ji實shi踐jian經jing驗yan，元yuan器qi件jian的de負fu荷he率lv在zai下xia列lie數shu值zhi時shi，電dian源yuan係xi統tong的de可ke靠kao性xing及ji成cheng本ben是shi較jiao優you的de。

5.1.1半導體元器件　　　

半導體元器件的電壓降額應在0.6以下，電流降額係數應在0.5以下。半導體元器件除負荷率外還有容差設計，設計開關電源時，應適當放寬半導體元器件的參數允許變化範圍，包括製造容差、溫度漂移、時間漂移、輻射導致的漂移等。以保證半導體元器件的參數在一定範圍內變化時，開關電源仍能正常工作。

5.1.2電容器　　　

電容器的負荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過0.8，並(bing)且(qie)盡(jin)量(liang)使(shi)用(yong)無(wu)極(ji)性(xing)電(dian)容(rong)器(qi)。而(er)且(qie)，在(zai)高(gao)頻(pin)應(ying)用(yong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，電(dian)壓(ya)降(jiang)額(e)幅(fu)度(du)應(ying)進(jin)一(yi)步(bu)加(jia)大(da)，對(dui)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)更(geng)應(ying)如(ru)此(ci)。應(ying)特(te)別(bie)注(zhu)意(yi)，電(dian)容(rong)器(qi)有(you)低(di)壓(ya)失(shi)效(xiao)的(de)問(wen)題(ti)，對(dui)於(yu)普(pu)通(tong)鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)無(wu)極(ji)性(xing)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)額(e)不(bu)低(di)於(yu)0.3，但鉭電容的電壓降額應在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。

5.1.3電阻器、電位器

電阻器、電位器的負荷率要小於0.5,此為電阻器設計的上限值；但是大量試驗證明，當電阻器降額數低於0.1時，將得不到預期的效果，失效率有所增加，電阻降額係數以0.1為可靠性降額設計的下限值。

總之，對各種元器件的負荷率隻要有可能，一般應保持在0.3左右。最好不要超過0.5。這樣的負荷率，對電源係統造成不可靠的機率是非常小的。

5.2 電源的熱設計

開關電源內部過高的溫升將會導致溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過一定值時，失效率呈指數規律增加。有統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%；溫升50℃時的壽命隻有溫升25℃時的1/6。chuledianyinglizhiwai，wendushiyingxiangkaiguandianyuankekaoxingdezuizhongyaodeyinsu。gaopinkaiguandianyuanyoudagonglvfareqijian，wendugengshiyingxiangqikekaoxingdezuizhongyaodeyinsuzhiyi，wanzhengdereshejibaokuolianggefangmian：一如何控製發熱源的發熱量；二如何將熱源產生的熱量散出去。使開關電源的溫升控製在允許的範圍之內，以保證開關電源的可靠性。下麵將從這兩個方麵論述。

5.2.1 控製發熱量的設計

開關電源中主要的發熱元器件為半導體開關管、功率二極管、高頻變壓器、lvbodiangandeng。butongqijianyoubutongdekongzhifareliangdefangfa。gonglvguanshigaopinkaiguandianyuanzhongfareliangjiaodadeqijianzhiyi，jianxiaotadefareliang，bujinkeyitigaogonglvguandekekaoxing，erqiekeyitigaokaiguandianyuandekekaoxing，tigaopingjunwuguzhangshijian（MTBF）。

開(kai)關(guan)管(guan)的(de)發(fa)熱(re)量(liang)是(shi)由(you)損(sun)耗(hao)引(yin)起(qi)的(de)，開(kai)關(guan)管(guan)的(de)損(sun)耗(hao)由(you)開(kai)關(guan)過(guo)程(cheng)損(sun)耗(hao)和(he)通(tong)態(tai)損(sun)耗(hao)兩(liang)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng)，減(jian)小(xiao)通(tong)態(tai)損(sun)耗(hao)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)選(xuan)用(yong)低(di)通(tong)態(tai)電(dian)阻(zu)的(de)開(kai)關(guan)管(guan)來(lai)減(jian)小(xiao)通(tong)態(tai)損(sun)耗(hao)；開關過程損耗是由於柵電荷大小及開關時間引起的，減小開關過程損耗可以選擇開關速度更快、huifushijiangengduandeqijianlaijianshao。dangengweizhongyaodeshitongguoshejigengyoudekongzhifangshihehuanchongjishulaijianxiaosunhao，rucaiyongruankaiguanjishu，keyidadajianxiaozhezhongsunhao。jianxiaogonglverjiguandefareliang，duijiaoliuzhengliujihuanchongerjiguan，yibanqingkuangxiabuhuiyougenghaodekongzhijishulaijianxiaosunhao，keyitongguoxuanzegaozhiliangdeerjiguanlaijianxiaosunhao。

duiyubianyaqiercicedezhengliukeyixuanzexiaolvgenggaodetongbuzhengliujishulaijianxiaosunhao。duiyugaopincixingcailiaoyinqidesunhao，yaojinliangbimianqufuxiaoying，duiyuqufuxiaoyingzaochengdeyingxiang，kecaiyongduoguxiqibaoxianbingraodebanfalaijiejue。

5.2.2 開關電源的散熱設計

MOS管guan導dao通tong時shi有you一yi定ding的de壓ya降jiang，也ye即ji器qi件jian有you一yi定ding的de損sun耗hao，它ta將jiang引yin起qi芯xin片pian的de溫wen升sheng，但dan是shi器qi件jian的de發fa熱re情qing況kuang與yu其qi耐nai熱re能neng力li和he散san熱re條tiao件jian有you關guan。由you此ci，器qi件jian功gong耗hao有you一yi定ding的de容rong限xian。其qi值zhi按an熱re歐ou姆mu定ding律lv可ke表biao示shi為wei：

PD="Tj-Tc/RT"

　　

式中，Tj 是額定結溫（Tj=150℃），Tc是殼溫，RT是結到管殼間的穩態熱阻，Tj代表器件的耐熱能力，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。

　　　

散熱有三種基本方式：熱傳導、熱輻射、熱對流。根據散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器；或選擇強製風冷：加(jia)裝(zhuang)風(feng)扇(shan)。加(jia)裝(zhuang)散(san)熱(re)器(qi)主(zhu)要(yao)利(li)用(yong)熱(re)傳(chuan)導(dao)和(he)熱(re)對(dui)流(liu)，即(ji)所(suo)有(you)發(fa)熱(re)元(yuan)器(qi)件(jian)均(jun)先(xian)固(gu)定(ding)在(zai)散(san)熱(re)器(qi)上(shang)，熱(re)量(liang)通(tong)過(guo)傳(chuan)導(dao)方(fang)式(shi)傳(chuan)遞(di)給(gei)散(san)熱(re)器(qi)，散(san)熱(re)器(qi)上(shang)的(de)熱(re)量(liang)再(zai)通(tong)過(guo)能(neng)流(liu)換(huan)熱(re)的(de)方(fang)式(shi)由(you)空(kong)氣(qi)傳(chuan)遞(di)熱(re)量(liang)，進(jin)行(xing)散(san)熱(re)。

5.2.3 電源的散熱仿真

散(san)熱(re)仿(fang)真(zhen)是(shi)開(kai)發(fa)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)以(yi)及(ji)提(ti)供(gong)產(chan)品(pin)材(cai)料(liao)指(zhi)南(nan)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)。優(you)化(hua)模(mo)塊(kuai)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)是(shi)終(zhong)端(duan)設(she)備(bei)設(she)計(ji)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)，這(zhe)就(jiu)帶(dai)來(lai)了(le)從(cong)金(jin)屬(shu)散(san)熱(re)片(pian)向(xiang) PCB futongcengsanreguanlizhuanhuandewenti。dangjindeyixiemokuaijunshiyongjiaodidekaiguanpinlv，yongyukaiguanmoshidianyuanhedaxingwuyuanzujian。duiyuqudongneibudianludedianyazhuanhuanhejingtaidianliueryan，xianxingwenyaqidexiaolvjiaodi。

隨著功能越來越豐富，性能越來越高，設備設計也變得日益緊湊，這時 IC 級和係統級的散熱仿真就顯得非常重要了。

一些應用的工作環境溫度為 70 到 125℃，並且一些裸片尺寸車載應用的溫度甚至高達 140℃，就(jiu)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，係(xi)統(tong)的(de)不(bu)間(jian)斷(duan)運(yun)行(xing)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。進(jin)行(xing)電(dian)子(zi)設(she)計(ji)優(you)化(hua)時(shi)，上(shang)述(shu)兩(liang)類(lei)應(ying)用(yong)的(de)瞬(shun)態(tai)和(he)靜(jing)態(tai)最(zui)壞(huai)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)精(jing)確(que)散(san)熱(re)分(fen)析(xi)正(zheng)變(bian)得(de)日(ri)益(yi)重(zhong)要(yao)。

散熱管理

散熱管理的難點在於要在獲得更高散熱性能、更高工作環境溫度以及更低覆銅散熱層預算的同時，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導致產生熱量組件較高的集中度，從而帶來在 IC 級和封裝級極高的熱通量。

係統中需要考慮的因素包括可能會影響分析器件溫度、係統空間和氣流設計/限製條件等其他一些印刷電路板功率器件。散熱管理要考慮的三個層麵分別為：封裝、電路板和係統（請參見圖 1）。

如何讓電路的心髒——“電源”更可靠

圖 1 IC 封裝中典型的熱傳遞路徑

低成本、小外形尺寸、模mo塊kuai集ji成cheng和he封feng裝zhuang可ke靠kao性xing是shi選xuan擇ze封feng裝zhuang時shi需xu要yao考kao慮lv的de幾ji個ge方fang麵mian。由you於yu成cheng本ben成cheng為wei關guan鍵jian的de考kao慮lv因yin素su，因yin此ci基ji於yu引yin線xian框kuang架jia的de散san熱re增zeng強qiang封feng裝zhuang正zheng日ri益yi受shou到dao人ren們men的de青qing睞lai。這zhe種zhong封feng裝zhuang包bao括kuo內nei嵌qian散san熱re片pian或huo裸luo露lu焊han盤pan和he均jun熱re片pian型xing封feng裝zhuang，設she計ji旨zhi在zai提ti高gao散san熱re性xing能neng。在zai一yi些xie表biao麵mian貼tie裝zhuang封feng裝zhuang中zhong，一yi些xie專zhuan用yong引yin線xian框kuang架jia在zai封feng裝zhuang的de每mei一yi麵mian均jun熔rong接jie幾ji條tiao引yin線xian，以yi起qi到dao均jun熱re器qi的de作zuo用yong。這zhe種zhong方fang法fa為wei裸luo片pian焊han盤pan的de熱re傳chuan遞di提ti供gong了le較jiao好hao的de散san熱re路lu徑jing。

IC 與封裝散熱仿真

散熱分析要求詳細、準確的矽芯片產品模型和外殼散熱屬性。半導體供應商提供矽芯片 IC 散熱機械屬性和封裝，而設備製造商則提供模塊材料的相關信息。產品用戶提供使用環境資料。

這種分析有助於 IC 設計人員對電源 FET 尺寸進行優化，以適用於瞬態和靜態運行模式中的最壞情況下的功耗。在許多電源電子 IC 中，電源 FET 都占用了裸片麵積相當大的一部分。散熱分析有助於設計人員優化其設計。

選用的封裝一般會讓部分金屬外露，以此來提供矽芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關鍵參數如下：

•矽芯片尺寸縱橫比和芯片厚度。

•功率器件麵積和位置，以及任何發熱的輔助驅動電路。

•電源結構厚度（矽芯片內分散情況）。

•矽芯片連接至外露金屬焊盤或金屬突起連接處的裸片連接麵積與厚度。可能包括裸片連接材料氣隙百分比。

•外露金屬焊盤或金屬突起連接處的麵積和厚度。

•使用鑄模材料和連接引線的封裝尺寸。

需提供模型所用每一種材料的熱傳導屬性。這種數據輸入還包括所有熱傳導屬性的溫度依賴性變化，這些傳導屬性具體包括：

•矽芯片熱傳導性

•裸片連接、鑄模材料的熱傳導性

•金屬焊盤或金屬突起連接處的熱傳導性。

•封裝類型 (packageproduct) 和 PCB 相互作用

散熱仿真的一個至關重要的參數是確定焊盤到散熱片材料的熱阻，其確定方法主要有以下幾種：

•多層 FR4 電路板（常見的為四層和六層電路板）

•單端電路板

•頂層及底層電路板

散熱和熱阻路徑根據不同的實施方法而各異：

•連接至內部散熱片麵板的散熱焊盤或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 頂層。

•位於外露散熱焊盤或突起連接處下方PCB 上的一個開口，可以和連接至模塊金屬外殼的伸出散熱片基座相連。

•利用金屬螺釘將散熱層連接至金屬外殼的 PCB 頂部或底部覆銅層上的散熱片。使用焊料將外露散熱焊盤或突起連接處連接至 PCB 的頂層。

另外，每層 PCB shangsuoyongdutongdezhonglianghuohoudufeichangguanjian。jiurezufenxieryan，lianjiezhiwailuhanpanhuotuqilianjiechudegecengzhijieshouzheyicanshudeyingxiang。yibaneryan，zhejiushiduocengyinshuadianlubanzhongdedingbu、散熱片和底部層。

大多數應用中，其可以是兩盎司重的覆銅（2 盎司銅=2.8 mils或 71 µm）外部層，以及1盎司重的覆銅（1盎司銅= 1.4 mils 或 35µm）內部層，或者所有均為 1 盎司重的覆銅層。在消費類電子應用中，一些應用甚至會使用 0.5 盎司重的覆銅（0.5 盎司銅= 0.7 mils 或 18 µm）層。

模型資料

仿真裸片溫度需要一張 IC 平麵布置圖，其中包括裸片上所有的電源FET 以及符合封裝焊接原則的實際位置。

每一個 FET 的尺寸和縱橫比，對熱分布都非常重要。需要考慮的另一個重要因素是 FET 是否同時或順序上電。模型精度取決於所使用的物理數據和材料屬性。

模型的靜態或平均功耗分析隻需很短的計算時間，並且一旦記錄到最高溫度時便出現收斂。

瞬態分析要求功耗－時shi間jian對dui比bi數shu據ju。我wo們men使shi用yong了le比bi開kai關guan電dian源yuan情qing況kuang更geng好hao的de解jie析xi步bu驟zhou來lai記ji錄lu數shu據ju，以yi精jing確que地di對dui快kuai速su功gong率lv脈mai衝chong期qi間jian的de峰feng值zhi溫wen度du上shang升sheng進jin行xing捕bu獲huo。這zhe種zhong分fen析xi一yi般ban費fei時shi較jiao長chang，且qie要yao求qiu比bi靜jing態tai功gong率lv模mo擬ni更geng多duo的de數shu據ju輸shu入ru。

該模型可仿真裸片連接區域的環氧樹脂氣孔，或 PCB 散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下，環氧樹脂/鍍層氣孔都會影響封裝的熱阻（請參見圖 2）。

如何讓電路的心髒——“電源”更可靠

圖 2 熱傳遞的熱阻路徑

散熱定義

· Θja—表示周圍熱阻的裸片結點，通常用於散熱封裝性能對比。

· Θjc—表示外殼頂部熱阻的裸片結點。

· Θjp—表示外露散熱焊盤熱阻的芯片結點，通常用於預測裸片結點溫度的較好參考。

· Θjb—表示一條引線熱阻路徑下電路板的裸片結點。

PCB 與模塊外殼的實施

數據表明需要進行一些改動來降低頂部層附近裸片上的 FET 最高溫度，以防止熱點超出 150C 的 T 結點（請參見圖 3）。係統用戶可以選擇控製該特定序列下的功率分布，以此來降低裸片上的功率溫度。

如何讓電路的心髒——“電源”更可靠

圖 3 由散熱仿真得到的一個結果示例

散熱仿真是開發電源產品的一個重要組成部分。此外，其還能夠指導您對熱阻參數進行設置，涵蓋了從矽芯片 FET 結點到產品中各種材料實施的整個範圍。一旦了解了不同的熱阻路徑之後，我們便可以對許多係統進行優化，以適用於所有應用。

該數據還可以被用於確定降額因子與環境運行溫度升高之間相關性的準則。這些結果可用來幫助產品開發團隊開發其設計。

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