使用模块设计高可靠电源的考虑

甄家荣
Vicor 高级应用工程师

现今科技发达，电子设备的体积越来越小，但功能却越趋精密，要令产品或系统在满足生产成本下可靠地工作，成为设计师的较大挑战。而系统电源，往往是可靠性的关键，但却又经常被忽视其重要性。因为中小型企业，甚至国防承包商，未必有额外资源投放在电源设计开发方面，电源设计一般是由其他工程师兼任，由挑选拓朴技术、品牌、以至深化设计等，可能会流于草率，导致日后问题浮现，影响产品或系统的质量，令用户失望。

所有高可靠性系统，其电源必须值得信赖，要达至这条件，电源的设计绝不能马虎，应从根本性着手，从系统规格要求定出电源设计，其相关拓朴、技术、等。

由于分立元件的电源往往花时设计、调试及认证。除非要求是极为简单，或产量足以驱使达至成本效益，大部份的电源设计皆会采用模块方案，以取其灵活配置及快速设计的优点，故以下会集中讨论模块方案。

电源的可靠性指标一般为MTBF(Mean time between failure), MTBF 值越高，代表其可靠性越高，典型MTBF 值从消费产品的数万小时，至军规系统的数百万小时不等。但应注意这数值并非绝对指标，而是统计学上的或然率矣。先理解MTBF的意义，可从产品的故障率曲线说起，图一是典型的曲线，一般称为”Bathtub Curve”, 因其轮廓类似浴缸之横切面曲线。

图1︰典型的故障率曲线

这曲线表示产品的典型使用寿命及故障率，从这曲线可看出由3部份组成…初生夭折(Infant mortality), 正常寿命(useful life) 及寿命终结(end-of-life) 3 部份。

开始时，产品的故障率甚高，随时日增加，其故障率瞬即下降，这部分称为初生夭折，这是由于大量生产下，难免有一些「天生弱者」，多是基于工艺、制程或物料的参差而导致产品带隐疾，即使它们通过出厂测试，但却经不起时间考验，很快便倒下来。

产品若能跨越这夭折期，即表示其没有隐藏的质量问题，随而进入第2部分的曲线，其特色是故障率较低及固定，故障率带指数关系，这部分的时间亦较长，我们称之为「正常寿命」期。而MTBF 值就是从这部份推算出来，即是该故障率的「倒数」！例如这部分的故障率为每小时十万份一，其倒数(MTBF)便是十万小时。有人或会误解产品如有十万小时的MTBF，它理论上可用上11年！但刚才指出，这只是统计数字或然率，产品仍会随机损坏，并不能保证它可用上11年才坏，它可能使用了8年，甚至2年便损坏了，或正确一些地说，该产品于11年后，其仍能正常工作的或然率为e^-1, 即37%。 虽然如此，MTBF 仍不失为一有用指标。

经过相对长的「正常寿命」期后，产品便进入「寿命终结」期，由于机械劳损、物质随时间受环境侵蚀等，产品已到了不能保养或正常工作的地步，故障率日渐升高，较终损坏。

因此，选择电源模块，其MTBF 指标固然重要，但还要考虑其他因素。例如温档，环境应力筛选等。客户不可盲目选用较高阶的温档，便以为较可靠。应注意，高阶温档除影响应用环境的可行性外，其可靠性不一定是较佳的，还要看其有没有环境筛选测试。因为MTBF值一般是从「计算」推测出来，较常见的美军标准手册 MIL-HDBK-217，有两种方法推算MTBF，其一为零件应力分析 “Parts Stress Analysis”, 通常需要待硬件或样机出来后，才能收集足够数据，故一般较少采用。其二为 “Parts Count” 方法，只需知道零件数量，其质量等级及应用环境便可，无需等待样机制作，故较为广泛被采用，如Vicor 提供之MTBF数据便是。

有些温档除工作温度范围较寛广外，还包含环境应力筛选等测试，故价钱亦相对高昂，客户经常会问，既然不同温档的MTBF 值都是差不多，而我又不是用于极端的环境温度，为什么要花多几倍钱去买较高的温档？而答案正是跟上文所述的故障率曲线有关。大家不要忘记，MTBF 值是假设电源已步入正常寿命期﹙固定不良率﹚的阶段才成立，而电源出厂后由开始被应用的一刻，它出现故障，可以是很短时间，数小时，一两天或两个月，这可从故障率曲线的第一部份见到，亦即其初生夭折率。但如果电源出厂前便做了一系列的环境应力筛选，如老化测试、高低温测试、温度循环、及电力输入循环测试等，便可把质量差的筛选出来，质量佳的便付运给客户，那么电源便可直接进入「正常寿命」阶段，用户便可倚赖MTBF 值去评估整体系统可靠性，这对于不容错的系统尤其重要。Vicor 提供不同温档的模块，均通过不同的环境应力筛选，以满足不同客户的需要，特别是应用于恶劣环境下，如军规电源等。

信誉昭著的电源模块供应商，从开发过程便考虑到可靠性的重要，会采取一系列措施令产品可靠。例如实践国际认可的品质控制程序，统计制程控制，培训员工的品质认知，使用优质元件等。更实际者，设计会留有余量，会对个别元件实施降额，以避免过荷，例如35V 耐压的二极管，只会用于20V 以下的应用，以保证其耐久力。客户可查询供应商有关模块降额的详情，以评估其质量及可靠性，大部份优质供应商如 Vicor 等，均可提供有关数据，Vicor 另提供MI-系列模块，符合美军NAVMAT 降额规定，以满足特殊工作环境要求。

其他增加可靠性的方案还包括，优化系统配置，以减少元件数量。有些电源技术及拓朴，可以减少输出储能电容的数量，而又不影响瞬变反应，例如，Vicor 的V•I-晶片电压转换模块﹙VTM 及BCM﹚，采用革命性的专利正弦振幅转换技术，能提供电容倍增能力，视乎降压的倍数，一枚1µF 的电容放置在VTM 的输入，便可代替多达1,000µF的负载点电容﹙图2﹚，另外，Vicor 的MicorRAM 及 QPO输出纹波衰减系列模块，亦可以有源方式改善负载瞬变反应，从而减少对负载点电容的倚赖﹙图3﹚，少用较易失效的电解电容，可靠性自然提高不少。采用较为整合的模块，亦可减少系统零件数量，对MTBF 值有正面影响。例如Vicor 的QPI 系列输入滤波模块，某些型号还整合了热插拔功能，可代替十多个分立元件，从而减少PCB 面积，成本，及提高系统可靠性﹙图4﹚。

若系统不允许丝毫错误，如通讯基站、数据中心、航天应用等，惟有用冗余电源设计，才能满足要求。这概念即需要额外的电源作备份用，所以容许电源系统于模块或零件的层面上，有某程度上的失误，换句话说，即使其中一部份电源损坏，剩下的部份马上可填补损坏的部份，系统还可无间断地工作，但代价是增加成本及设计难度。采用模块实践的电源系统，较大的挑战为使它们均流地运作，同时要保持备用状态。有些电源模块拓朴，如Vicor 之QR/ZCS ﹙拟共振/零电流开关﹚，其变频工作方式，加上专有的双向同步交连埠，特别适合实践N+1的容错电源系统﹙图5﹚。有别于其他拓朴，Vicor 的方式无需使用分流器，没有反遗电路以影响稳定性，而且对动态负载亦可均流，可使额外元件数目减至较少，进一步增加系统的可靠性。

较后，有了上佳的材料，还需要有合适的安装工艺才可发挥效果。电源一般会发热，所以热处理特别重要，应提供基本的传导及风扇散热，有些系统不许使用风扇，这时，充足的散热片或机外壳作传导散热是唯一途径。如有需要，可作降额处理，或应制作一枚样机，于实际环境下量度升温，以测试热处理效果能否满足要求。遇到振荡的环境，机械的牢固性显得十分重要，客户安装电源模块于电路板时，往往忽略其承拓支柱，以至焊点长期受力，日久撕裂，间接导致电源失效。针对其他恶劣环境应用，还可能有进一步牢固性处理，如防潮等。

结论是，系统的可靠性可从选择优质的电源拓朴，带环境应力筛选的温档，高整合性的模块，良好的环境对应措施，降额及容错设计而提高。

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