怎樣通過測試來判斷電源模塊可靠與否

電源作為電路系統(tǒng)的“心臟”，其重要性是顯而易見的。在選擇電源模塊時(shí)，除了要考慮輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波噪聲等性能特性外，還需針對(duì)其高低溫性能和降額設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性測試。

電源可以說是電路系統(tǒng)的“心臟”，為各級(jí)電路提供“血液”，其重要性是顯而易見的。那么如何有效的選擇一款高性能高可靠性的電源模塊呢?我們首先會(huì)關(guān)注電源模塊的輸入電壓范圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波噪聲等輸入輸出特性，判斷是否滿足自己的使用要求，甚至參照數(shù)據(jù)手冊(cè)一一對(duì)照測試各項(xiàng)指標(biāo)，判斷是否和宣稱的一致。但對(duì)于電源模塊的可靠性來說，做完這些還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有兩個(gè)方面是需要深挖測試的，那就是高低溫性能和降額設(shè)計(jì)。

1、高低溫性能

一般在不同的使用領(lǐng)域，對(duì)電源模塊的工作溫度范圍要求各異：

高低溫測試是用來確定產(chǎn)品在低溫、高溫兩個(gè)極端氣候環(huán)境條件下的適應(yīng)性和一致性，檢查設(shè)計(jì)余量是否足夠。因?yàn)樵骷奶匦栽诘蜏?、高溫的條件下會(huì)發(fā)生一定的變化，性能參數(shù)具有溫度漂移特性。所以往往很多電源模塊在常溫測試通過，一旦拿到高低溫環(huán)境測試就發(fā)現(xiàn)工作不正?；蛘咝阅軈?shù)明顯下降。同時(shí)通過長時(shí)間高溫老化可以使元器件的缺陷、焊接和裝配等生產(chǎn)過程中存在的隱患提前暴露出來。

電源模塊常見的低溫和高溫不良的現(xiàn)象有：

(1)工作振蕩，輸出電壓紋波和噪聲變大，頻率發(fā)生改變，嚴(yán)重的甚至輸出電壓跳變，模塊嘯叫。

(2)啟動(dòng)不良，如啟動(dòng)時(shí)輸出電壓升上波形有明顯掉溝，輸出電壓不穩(wěn)定，甚至模塊完全啟動(dòng)失效。

(3)帶容性負(fù)載能力減弱，無法帶最大容性負(fù)載啟動(dòng)。

(4)啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過沖幅度變大，超出規(guī)定范圍。

(5)重載或滿載工作時(shí)輸出電壓明顯降低。

(6)高溫老化損壞，模塊沒有輸出。

所以，可靠性高的電源模塊必須保證在高低溫等極端條件下工作正常，滿足性能參數(shù)要求。

2、降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)是將元器件進(jìn)行降額使用，就是使電子元器件的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄湟?guī)定的額定值，降額使用的器件可延緩和減小其退化，提高了器件的可靠性，從而也提高了模塊的可靠性。電子元器件的故障率對(duì)電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，所以降額設(shè)計(jì)主要也是針對(duì)這三個(gè)方面。電子元器件的降額等級(jí)可以參考《國家軍用標(biāo)準(zhǔn)——元器件降額準(zhǔn)則GJB/Z35-93》，一般可分成三個(gè)降額等級(jí)：

(1)Ⅰ級(jí)降額：I 級(jí)降額是最大的降額，適用于設(shè)備故障將會(huì)危及安全，導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的情況。

(2)Ⅱ級(jí)降額：工作應(yīng)力減小對(duì)元器件可靠性增長有明顯效益，適用于設(shè)備故障會(huì)使工作任務(wù)降級(jí)，或需支付不合理的維修費(fèi)用。

(3)Ⅲ級(jí)降額：Ⅲ級(jí)降額是最小的降額，相對(duì)來說元器件成本也較低。適用于設(shè)備故障對(duì)工作任務(wù)的完成只有小的影響，或可迅速、經(jīng)濟(jì)地加以修復(fù)。

下表所示是電源模塊常用的一些關(guān)鍵元器件的降額參數(shù)要求：

對(duì)于電源模塊的應(yīng)力設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注場效應(yīng)管(MOS管)、二極管、變壓器、功率電感、電解電容、限流電阻等。保證全電壓范圍內(nèi)在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、短路等各種極限條件下都能有足夠的降額，以保障產(chǎn)品的可靠性。例如對(duì)于某Vds最高電壓為100V的MOS管，作為電源模塊的主功率開關(guān)管，實(shí)測其在最高輸入電壓下的各種狀態(tài)(如圖1～3所示)，最高Vds=67.2V，降額因子0.672，滿足Ⅰ級(jí)降額，余量很充足。

圖1 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)MOS管波形Vds_max=57.2V

圖2 輸出短路時(shí)MOS管波形Vds_max=67.2V

圖3 起機(jī)瞬態(tài)時(shí)MOS管波形Vds_max=59V

由于電源模塊越趨于小型化，功率密度相應(yīng)越來越高，電源模塊有關(guān)熱設(shè)計(jì)方面的問題尤其突出。特別是對(duì)使用有電解電容的電源模塊，高溫會(huì)使電解電容的電解液加速消耗，大大減少電解電容的壽命。高溫會(huì)使元器件材料加速老化，例如使得變壓器漆包線的絕緣特性降低，導(dǎo)致絕緣耐壓不良甚至造成匝間短路。因此好的熱設(shè)計(jì)不僅可延長電源模塊和其周圍元器件的使用壽命，還可使整個(gè)產(chǎn)品發(fā)熱均勻，減少故障的發(fā)生。

電源模塊熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：通過熱設(shè)計(jì)在滿足性能要求的前提下盡可能減少模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，減少熱阻，選擇合理的冷卻方式。發(fā)熱元器件要盡可能使其分散布局。設(shè)計(jì)PCB板時(shí)要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導(dǎo)。對(duì)于大功率的貼片元器件，可以采用大面積敷銅箔的方式，以加大PCB的散熱面積。電源模塊內(nèi)部可通過填充導(dǎo)熱硅膠和樹脂等來降低模塊內(nèi)部元器件的溫升。對(duì)于體積較大的電源模塊，可以使用散熱片進(jìn)行散熱，增加對(duì)流和輻射的表面積從而大大地改善了電子器件的散熱效果。

對(duì)于還沒灌封的電源模塊，可以采用紅外熱成像儀對(duì)整個(gè)電源模塊進(jìn)行“面”的測溫，紅外熱成像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。然后經(jīng)過分析，再采用熱電偶配合數(shù)據(jù)采集設(shè)備重點(diǎn)對(duì)MOS管，整流二極管，變壓器等溫升高的關(guān)鍵元器件進(jìn)行“點(diǎn)”的測溫。從面到點(diǎn)，嚴(yán)格測試，保證元器件的溫度降額滿足要求。

圖4 某電源模塊常溫下的熱成像圖

例如對(duì)于某電源模塊，常溫長時(shí)間工作后采用紅外熱成像儀測試其表面溫度如圖4所示，其中MOS管常溫不灌封實(shí)測的最高溫度為85.5℃，然后采用熱電偶配合數(shù)據(jù)采集儀對(duì)填充灌封膠的成品在高溫條件下測試其各種情況下的溫度，最高為97.2℃，對(duì)于最高溫度為175℃的MOS管，其溫度降額滿足Ⅰ級(jí)降額。

所以除了基本性能參數(shù)測試，全面的高低溫測試，電應(yīng)力和熱應(yīng)力測試，保證足夠的降額設(shè)計(jì)要求，并通過長時(shí)間的老化測試，才可以判斷電源模塊是否安全可靠。ZLG致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)的電源模塊，都是通過嚴(yán)格的降額設(shè)計(jì)和全面的高低溫測試的，產(chǎn)品性能和可靠性有足夠的保障。例如以上所舉例子，就是我司E_UHBD-15W系列某型號(hào)的部分測試數(shù)據(jù)，該系列產(chǎn)品輸入電壓范圍寬、效率高、溫升低、穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，電力，通訊、醫(yī)療、儀表儀器和汽車電子等眾多領(lǐng)域。