干貨 | 關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器的選型及設計詳細指南
DC/DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格說明
板載DC-DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格是重要且詳細的過程。選型正確后,它會產(chǎn)生符合所有應用的經(jīng)濟高效的解決方案。錯誤選擇轉(zhuǎn)換器會導致成本過高,或者不適合該應用。本常見問題解答將介紹板載DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要規(guī)格,以及包括熱管理和電磁兼容性考慮因素。
這款效率為96%的40A負載點(PoL)非隔離式板裝DC/DC轉(zhuǎn)換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。(圖片:TDK)
效率通常是DC/DC轉(zhuǎn)換器重要的規(guī)格,它對系統(tǒng)設計的許多方面都具有重大影響。即使在高效率的設計中,效率的提高也會產(chǎn)生重大影響。效率為95%的設計熱損耗為5%,效率為80%的DC/DC轉(zhuǎn)換器熱損耗為20%,相差四倍。這種差異會影響系統(tǒng)設計的許多方面:
可以降低工作溫度,或者可以在相同工作溫度下提高系統(tǒng)功率密度
系統(tǒng)的物理尺寸減小
由于可使用較小甚至無需使用散熱器,因此系統(tǒng)成本將更低
可靠性大幅提高
對于交流電源系統(tǒng),前端交流/直流電源將更小且成本更低
電池供電的系統(tǒng)可以使用較小的電池或在給定的供電水平下運行更長時間
對系統(tǒng)的能源成本和環(huán)境影響將減少
5V DC/1A輸出的DC / DC轉(zhuǎn)換器在各種輸入電壓下的效率曲線。圖片:RECOM
效率可以通過多種方式體現(xiàn),例如在各種輸入電壓電平,各種輸出功率電平等情況下的典型值(非常常見),保證的較小值。并且,在所考慮的范圍內(nèi),效率通常不是平坦的。對于輸出功率與效率的關(guān)系,重要的是要考慮效率曲線的形狀,并將其與系統(tǒng)的預期運行狀態(tài)相匹配,以在實際運行條件下較大化效率。
在許多應用中,尤其是電池供電的設備,空載功耗可能是重要的指標,它與開關(guān)電路的功耗有關(guān),是整體效率的限制因素。
輸出調(diào)節(jié)
額定輸出電流是一個簡單明了的規(guī)格。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還規(guī)定了較小負載。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的不同,低于小負載的運行會對電壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生負面影響,但不會損壞轉(zhuǎn)換器。輸出電壓是要的更復雜的參數(shù)。提供用于輸出電壓的起點的兩個因素是標稱值或“設定點”,以及該標稱值與各種獨立參數(shù)(例如輸出負載的變化,輸入電壓的變化和工作溫度變化。)
設定值規(guī)格的一個例子是在額定輸入電壓,滿載和25°C下為±1%。電源和負載調(diào)整率通常為百分比或范圍,例如,±0.1%或±5mV。溫度調(diào)節(jié)通常為“每攝氏度”,例如±0.01%/°C或百萬分之一(PPM),如PPM /°C所示。一些DC/DC轉(zhuǎn)換器供應商提供了針對所有可能變化的“總調(diào)節(jié)”的單一規(guī)范,而不是提供上面概述的各個規(guī)范。對于低于3V的電壓,詳細規(guī)定輸出電壓調(diào)節(jié)可能更為重要。
在典型應用中,與輸出負載水平相比,在系統(tǒng)運行期間,線路輸入電壓和工作溫度變化相對較小。結(jié)果,負載調(diào)節(jié)是更關(guān)鍵的規(guī)格。另外,由于輸出負載中階躍函數(shù)的變化而產(chǎn)生動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(有時稱為瞬態(tài)響應)。
動態(tài)調(diào)節(jié)
對于許多系統(tǒng),動態(tài)調(diào)節(jié)比靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)更為關(guān)鍵。在動態(tài)調(diào)節(jié)時,有必要對負載的變化,變化率,“恢復”的定義以及達到恢復的時間進行量化。例如:“負載變化為25%至75%,dI/dt為0.1A/µs,較大偏差為3%,并在200ms內(nèi)恢復到設定值的1%。”輸出電壓將在電流增加時減小,而在電流減小時增加。
輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié),顯示瞬態(tài)響應偏差和恢復時間。(圖片:Keysight Technologies)
動態(tài)響應既是系統(tǒng)設計的考慮因素,也是電源設計的考慮因素。配電網(wǎng)絡的阻抗和去耦設計對動態(tài)調(diào)節(jié)具有重大影響。對于板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器,為FPGA和微處理器等大型數(shù)字IC供電時,動態(tài)調(diào)節(jié)尤其重要。
開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出包含低頻(紋波)和高頻(噪聲)分量,通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。對于5V輸出,紋波和噪聲的典型規(guī)格峰峰值為75mV。紋波的頻率與轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率有關(guān)。噪聲的可變性更大,并且是由開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器工作中固有的高dI/dt寄生電感振鈴引起的。噪聲在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間突然出現(xiàn),并疊加在較低的頻率紋波上。使用板載DC / DC轉(zhuǎn)換器時電磁兼容性需要詳細考慮。
保護功能
過流保護旨在保護轉(zhuǎn)換器免受系統(tǒng)故障(例如短路)的影響。有三種常見的方法來實現(xiàn)限流保護,較大限流,折返限流和打嗝限流。在較大電流限制中,負載電流被限制在不超過較大值的范圍內(nèi)。當達到該值時,輸出電壓下降。在電流限制階段,DC / DC轉(zhuǎn)換器中的功耗通常比正常操作中的功耗高。折返電流限制可在檢測到故障時降低輸出電流。與較大電流限制相比,這可以實現(xiàn)較低的較大功耗。但是,折返電流限制可能會在啟動時提供較少的電流。結(jié)果,如果啟動期間的負載電流大于折返電流極限支持的值,則輸出的上升速度會變慢,否則轉(zhuǎn)換器可能無法啟動。
當電流檢測電路在打嗝電流限制中發(fā)現(xiàn)過電流情況時,DC/DC轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉一段時間,然后嘗試再次啟動。如果消除了過載條件,轉(zhuǎn)換器將啟動并正常運行;否則,控制器將認為是另一種過電流情況并關(guān)閉,重復該循環(huán)。打嗝操作消除了其他兩種過流保護方法的缺點。但是,由于需要定時電路,因此更加復雜。
打嗝電流限制比較大電流限制或折返電流限制更為復雜。帶有打ic保護功能的轉(zhuǎn)換器每次嘗試重新啟動時都會發(fā)出“滴答”聲。圖片:RECOM
通常,將轉(zhuǎn)換器故障導致的輸出過壓條件鉗位在特定水平。裝置通常在短路狀態(tài)下發(fā)生故障,從而防止損壞主機系統(tǒng)。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還具有欠壓鎖定功能,可在低輸入電壓下將其關(guān)閉。轉(zhuǎn)換器在“掉電模式”下工作,在該模式下,輸出功率受限,以防止過多的輸入電流流入。
一般規(guī)格
在特定應用中,許多附加規(guī)范可能很重要,例如用于轉(zhuǎn)換器配置和監(jiān)視的PMBus通信功能。遠程開關(guān)功能可控制多個轉(zhuǎn)換器的上電和斷電順序或出于安全原因選擇遠程,遙感功能對某些應用可能很重要。
大多數(shù)板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器是非隔離的降壓轉(zhuǎn)換器。不過,有時還是需要隔離轉(zhuǎn)換器,并且需要隔離電壓的水平。隔離電容也很重要,主要是隔離式轉(zhuǎn)換器中變壓器初級繞組和次級繞組之間的寄生耦合。
二、EMC和EMI
電磁兼容性(EMC)和電磁干擾(EMI)是影響電源系統(tǒng)設計的系統(tǒng)級考慮,尤其是在分布式電源架構(gòu)(DPA)中使用多個板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的情況下。EMC / EMI是一個多方面的考慮因素,其中包括轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出的差模和共模噪聲,輻射噪聲和傳導噪聲以及轉(zhuǎn)換器的磁化率和發(fā)射水平。
EMC被定義為即使在給定范圍內(nèi)遭受各種EMI形式影響,設備仍可按規(guī)定運行的能力。板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器可能是很大的EMI源,必須對其進行控制以確保系統(tǒng)正常運行。而且它還容易受到干擾,特別是在輸入側(cè)。
高頻板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器需要選擇轉(zhuǎn)換器中磁性元件的尺寸較小化,從而減小了整體解決方案。使用較小的無源器件可以使設計緊湊的電路更為簡單,從而獲得更好的EMC / EMI特性。
但是,高頻也會導致轉(zhuǎn)換器中電源開關(guān)電路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET開關(guān)沿導致較高的dI / dt(取決于上升時間,其頻率高達幾百MHz),這受MOSFET輸出電容,結(jié)電容,肖特基二極管的反向恢復電容等因素。
電磁兼容/電磁干擾
EMI耦合機制(圖片來源:Boyd Corp.)
如上所述,EMI可以通過傳導,輻射或耦合發(fā)射的形式出現(xiàn)。根據(jù)應用和系統(tǒng)設計,在DPA中使用多個板上安裝的降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器時,每種EMI產(chǎn)生方式都可能成為一個重大問題。
傳導發(fā)射是通過導線,電路板走線等帶入電子系統(tǒng)的有害電磁能量。它可以采取共?;虿钅#ㄒ卜Q為正常模式)能量的形式。
耦合發(fā)射包括從干擾源到電子系統(tǒng)的電容或電感耦合的電磁能。
輻射發(fā)射是從干擾源到電子系統(tǒng)的整個空間輻射的電磁能。
EMI標準
有兩種類型的EMC標準,基本和與通用/產(chǎn)品相關(guān)。像IEC 61000-4和CISPR 16一樣,基本EMC標準也沒有規(guī)定發(fā)射限值或抗擾度測試等級。它們?nèi)绾螆?zhí)行測量。通用EMC標準和產(chǎn)品(系列)EMC標準(例如CISPR / EN 55022/32和FCC)了限制和測試級別,有關(guān)測試設置和方法規(guī)范,請參閱Basic EMC出版物。
IT和多媒體設備的設計者必須在適用的150kHz至30MHz頻率范圍內(nèi)使用準峰值和平均信號檢測器來滿足傳導發(fā)射的EN 55022/32 A類和B類限制。必須同時滿足準峰值和均值限制。專為北美市場設計的產(chǎn)品必須符合FCC 15規(guī)定的等效限制。B類設置的傳導排放限值與CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同。
CISPR / EN 55022/32 A類和B類準峰值(QP)和平均(AVG)傳導發(fā)射限值(圖片:德州儀器(Texas Instruments))
IEC 61000基本EMC標準由幾個部分組成。常規(guī)(61000-1),環(huán)境(61000-2),限值(61000-3),測試和測量技術(shù)(61000-4),安裝指南(61000-5),通用標準(61000-6),其他(61000-9)。
CISPR 1‐6基本EMC標準包括四個部分:CISPR 16-1有六個子部分,電壓,電流和現(xiàn)場測量設備以及測試地點。這些包括測量設備的校準和驗證。CISPR 16-2有五個子部分,規(guī)定了測量高頻EMC現(xiàn)象,應對干擾和抗擾度的方法。CISPR 16-3是IEC技術(shù)報告(TR),其中包含特定的技術(shù)報告和有關(guān)CISPR歷史的信息。CISPR 16-4包括五個子部分,其中包含與不確定性,統(tǒng)計數(shù)據(jù)和極限建模有關(guān)的信息。
傳導性EMI的主要非軍事通用/產(chǎn)品標準摘要(圖片:德州儀器)
遏制EMI
控制EMI很重要,原因有二:不符合上述EMI標準的系統(tǒng)在許多市場都被禁止,并且EMI過多會降低系統(tǒng)性能。EMI是一個多維問題,有幾種途徑控制EMI。如果使用可靠供應商提供的板裝DC / DC轉(zhuǎn)換器,通常不會出現(xiàn)輻射發(fā)射和耦合發(fā)射問題。但是,轉(zhuǎn)換器的輸入端需要注意以較小化轉(zhuǎn)換器的傳導發(fā)射連接到電源總線上,并處理可能對電源總線的瞬變敏感影響轉(zhuǎn)換器性能的可能性。一些一般的注意事項包括:
電路設計:保持電流環(huán)路較小,以大程度地減少導體通過感應或輻射耦合能量的能力,并設計適當?shù)碾娙萜骱驮O計中的其他組件以大程度地減少耦合。此外,使用將頻率展頻與開關(guān)頻率抖動相結(jié)合的板上安裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器,可以通過允許在任何一個相當長的時間內(nèi)保持在任何一個頻率上發(fā)射,從而有效地降低EMI。
采用2x 2板載封裝的六側(cè)屏蔽60W隔離式DC / DC轉(zhuǎn)換器。圖片:RECOM
過濾器:將過濾器盡可能靠近轉(zhuǎn)換器。旁路電容引線應盡可能短。在典型的板裝降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器應用中,輸入濾波通常是關(guān)鍵的。功率MOSFET與輸出之間有一個電感,至少在某種程度上減輕了EMI。但是,輸入側(cè)的EMI會在整個系統(tǒng)中傳播,因為它將由主電源總線承載。盡管輸入側(cè)關(guān)鍵,但在考慮EMI時忽略輸出側(cè)并非明智之舉。對于板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器供應商,通常在數(shù)據(jù)表中列出滿足特定EMC / EMI標準所需的外部組件。
屏蔽:有一個經(jīng)驗法則,當頻率低于200MHz時,接地可能是可行的解決方案,但是當頻率高于200MHz時,它會產(chǎn)生輻射,解決方案就是屏蔽。對于電信,過程控制,廣播,工業(yè)以及測試和測量設備等應用,通常建議使用帶有六面金屬屏蔽的板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器來較大化EMC / EMI性能。
歸根結(jié)底,EMC / EMI是系統(tǒng)級問題。優(yōu)化板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的EMC / EMI性能是一個重要的考慮因素,但是其他系統(tǒng)元素通常對EMC / EMI性能更重要。
三、熱管理及熱分析
系統(tǒng)級熱設計對于DC / DC轉(zhuǎn)換器的電氣規(guī)格同樣重要。越來越多的分布式電源架構(gòu)(DPA)使用增加了熱設計的復雜性。單個多路輸出AC / DC電源用于在常規(guī)電源架構(gòu)中為各種負載供電。集中式電源的使用集中了電源轉(zhuǎn)換過程的散熱,從而實現(xiàn)了直接的散熱設計。
在DPA中,單輸出AC / DC電源產(chǎn)生相對較高的分配電壓(例如12VDC或48VDC),并通過多個非隔離式降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器為低壓負載供電。DPA體系結(jié)構(gòu)將功率轉(zhuǎn)換過程的散熱散布在整個系統(tǒng)中,并使散熱設計復雜化。使用DPA的好處是可以包括較小的總體解決方案尺寸,更高的效率和更低的成本。
DC / DC轉(zhuǎn)換器選擇注意事項
效率通常被認為是重要的規(guī)范。效率對熱管理有重大影響。因此,使用高效的DC / DC轉(zhuǎn)換器非常重要。但并不是那么簡單。效率通常是在滿載條件下的,而DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會降額使用,并且工作功率低于滿功率,以提高系統(tǒng)可靠性。而且系統(tǒng)通常不會一直在大功率下運行。事實證明,為給定應用選擇高效的轉(zhuǎn)換器并不像初次看起來那樣簡單。了解系統(tǒng)工作條件后,設計人員可以選擇效率特性符合系統(tǒng)需求的DC / DC轉(zhuǎn)換器。
此外,DPA中使用的降壓轉(zhuǎn)換器具有多種設計,每種設計都有不同的效率權(quán)衡。例如,在高負載下,同步降壓轉(zhuǎn)換器比非同步降壓轉(zhuǎn)換器效率更高。但是選擇取決于系統(tǒng)的運行特性。與同步設計相比,非同步降壓在輕載條件下通常更為有效。在大量時間在低功率水平下運行且僅偶爾需要峰值功率的系統(tǒng)中,非同步降壓可以提供更高的整體運行效率。由于其設計更簡單,因此非同步降壓的成本更低,并且更可靠。
額定12V輸入和1.5V輸出的同步和非同步DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較。圖片:德州儀器(Texas Instruments)
在要求高效率的系統(tǒng)中,新興的半導體材料(例如氮化鎵(GaN))的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸。GaN是一種寬帶隙材料,具有比傳統(tǒng)硅更高的導電性。與硅器件相比,GaN晶體管更小,具有相同導通電阻的較低電容。零QRR可減少高頻損耗。GaN的開關(guān)性能可實現(xiàn)更高的功率密度,更高的頻率,更高的開關(guān)精度,更高的總線電壓和更少的電壓轉(zhuǎn)換損耗。
硅與氮化鎵(GaN)的48V至12V DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較。(圖片:EPC)
在散熱設計和散熱能力方面,并非所有板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器都相同。有些在絕緣金屬基板上構(gòu)建,以增強熱性能。有些包含用于改善導熱性的散熱孔,有些則開始使用3D封裝,該封裝使用堆疊的,嵌入式的或平面的組件顯著減小尺寸。
減小物理尺寸不僅增加了功率密度,而且減少了寄生效應和較小的電流環(huán)路,這意味著,即使使用MHz的開關(guān)頻率,也可以將EMI控制好。權(quán)衡使熱管理可能變得更加復雜。DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體溫度性能在很大程度上取決于終應用。
隨著不斷受限的電路板空間中性能的提高,需要諸如3D電源封裝之類的技術(shù)進步來確保功耗不會迅速增加。否則,性能極限將取決于溫度,而不是設計的大功率。圖片:RECOM
系統(tǒng)熱分布
熱量管理始于在設計階段通過系統(tǒng)熱分布圖測量工作溫度來識別發(fā)熱點和其他重點區(qū)域。對于特定的操作環(huán)境而言,熱圖對于實現(xiàn)正確的熱管理系統(tǒng)設計是必需的。它有助于確定系統(tǒng)運行期間需要監(jiān)視(測量)的區(qū)域。
如果使用紅外(IR)攝像機進行的熱成像表明一個或多個熱點PCB的溫度高于預期溫度,這可能表明存在問題。重要的是要考慮到靠近較高熱量附近的組件;他們可能會經(jīng)歷長期的老化影響。為了檢測熱點,需要足夠的幾何分辨率。只有通過足夠數(shù)量的像素才能很好分辨的細節(jié)以及正確測量。因此,高分辨率紅外攝像機系統(tǒng)是在系統(tǒng)開發(fā)過程中使用的不錯選擇。
在產(chǎn)品開發(fā)過程中,通常將高分辨率紅外攝像頭系統(tǒng)用于熱成像。圖片:InfraTec
與熱電偶或點測高溫計不同,高分辨率紅外熱像儀可以在系統(tǒng)和設備上獲取準確的溫度讀數(shù)。而且散熱設計并非一成不變。在不斷變化的系統(tǒng)運行狀況下,整個系統(tǒng)的散熱通常會變化(有時會迅速變化)。一些紅外熱像儀可以記錄高速數(shù)據(jù),并具有表征快速熱瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱條件所需的靈敏度和空間分辨率。
監(jiān)控熱性能
內(nèi)置熱關(guān)斷功能通常用于板裝DC / DC轉(zhuǎn)換器,連續(xù)監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的工作溫度通常非常有用,以下是可用于熱監(jiān)控的組件的兩個示例。
熱敏電阻是隨溫度變化的電阻,通常由導電材料制成,例如金屬氧化物陶瓷或聚合物。常見的熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)(NTC)為負,通常稱為NTC。使用NTC需要信號調(diào)理。熱敏電阻通常與分壓器中的固定值電阻器一起使用,其輸出使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行數(shù)字化。
顯示熱敏電阻如何與ADC接口的基本電路。電阻R1和熱敏電阻形成一個分壓器,其輸出電壓取決于溫度。(圖片:Maxim)
溫度傳感器IC利用PN結(jié)的熱特性。由于它們是使用常規(guī)半導體工藝構(gòu)建的有源電路,因此它們可以采用多種形式,并具有多種功能(例如數(shù)字接口,ADC輸入和風扇控制功能)。溫度傳感器IC的工作溫度范圍從-55°C到+ 125°C,一些器件的工作溫度上限約為+ 150°C。
四、故障率及可靠性
板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的可靠性對于理解和量化非常重要。它是隨時間變化的系統(tǒng)或設備故障發(fā)生頻率的度量??煽啃允怯^察到的故障率,它定義為兩次故障之間的時間(以小時為單位),稱為平均故障間隔時間(MTBF),或者直到一次故障之間的時間(也以小時為單位),稱為平均故障間隔時間(MTTF)。有時,可靠性是通過MTBF數(shù)字的倒數(shù)(基于109小時)來量化的,稱為時間失敗單位(FIT):FIT = 109 / MTBF。
每個設備都有一個故障率λ,它是每單位時間發(fā)生故障的單元數(shù)——故障率在設備的整個生命周期中以可預測的方式變化。當繪制為故障率與時間的關(guān)系時,通常稱為可靠性浴盆曲線。它顯示了早期故障率的總和,以及產(chǎn)品整個生命周期中的恒定(隨機)故障率,再加上壽命終止時的磨損率。
浴盆曲線用于說明觀察到的電子系統(tǒng)故障率。圖片:維基百科
在產(chǎn)品壽命的主要階段,由于材料缺陷或制造錯誤(未在終測試和檢查中發(fā)現(xiàn))而導致所謂的失效,因此故障率不斷下降,λ下降。板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器的大多數(shù)失效發(fā)生在運行的初24小時內(nèi)。
在電子產(chǎn)品中,Arrhenius方程用于確定在給定溫度下工作組件的預計壽命。它適用于化學方法,可測量與溫度有關(guān)的反應速率,并觀察到將溫度降低10°C將使產(chǎn)品可靠性提高一倍。相反,提高工作溫度會加快電子設備的故障率。
Arrhenius方程是電子設備和系統(tǒng)失效的理由。例如,剛制造的DC / DC轉(zhuǎn)換器在老化室內(nèi)在滿負荷和高溫下運行約4小時,可以消除許多早期失效現(xiàn)象。通常使用40或50°C進行老化,有時會進一步使用較高的溫度和較高的濕度。高可靠性DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會進行24小時老化。
在產(chǎn)品和系統(tǒng)開發(fā)過程中,用于高度加速壽命測試(HALT)和高度加速應力篩選(HASS)的加速應力測試系統(tǒng)會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計的弱點。執(zhí)行HALT和HASS可以大限度地提高實驗室效率,同時降低與保修和召回相關(guān)的成本,從而提高產(chǎn)品可靠性。HALT和HASS使用溫度和振動應力來消除設計問題,開發(fā)出更可靠的產(chǎn)品并篩除早期產(chǎn)品故障問題。HALT和HASS決定了產(chǎn)品的運行和破壞極限,因為在對產(chǎn)品施加壓力的同時對其進行了功能測試并不斷監(jiān)測其故障。
HALT和HASS測試箱用于產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品測試。圖片:Thermotron
在大多數(shù)DC / DC轉(zhuǎn)換器的使用周期中,除了初始故障率之外,它們會經(jīng)歷恒定的故障率λ,并且可靠性曲線基本上是平坦的。恒定故障率持續(xù)的時間取決于各種因素,例如應用環(huán)境的固有應力,所用組件的質(zhì)量,DC / DC轉(zhuǎn)換器的制造質(zhì)量等等。隨著在產(chǎn)品使用壽命到期時的磨損過程中,故障率會不斷提高。
預測可靠性
預測可靠性的兩個常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性預測程序SR-332。這些和其他可靠性預測部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217初是由美國開發(fā)的,可產(chǎn)生MTBF和MTTF數(shù)據(jù),而Telcordia SR-332是為電信行業(yè)開發(fā)的,可產(chǎn)生FIT數(shù)據(jù)。當前,MIL-HDBK-217是使用廣泛的可靠性計算方法。
可以使用零件計數(shù)分析(PCA),零件應力分析(PSA)或通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明,通過幾種方式預測和量化可靠性。這些量化可靠性的方法中的每一種對于電力系統(tǒng)設計人員都有特定的用途。PCA需要少的數(shù)據(jù),通常在產(chǎn)品開發(fā)過程中使用。PCA分析僅根據(jù)物料清單和預期用途得出估算的產(chǎn)品故障率λP,從而可以計算仍在設計的產(chǎn)品的MTBF:λP=(ΣNCλC)(1 + 0.2πE)πFπQπL(公式來源:RECOM)
其中:
NC =零件數(shù)(每種組件類型)
λC=從數(shù)據(jù)庫中獲取的每個零件的故障率
πE=特定于應用的環(huán)境壓力因子
πF=混合函數(shù)應力c通過組件交互
πQ=標準零件或預篩選零件的篩選水平
πL=成熟因子是經(jīng)過驗證的設計還是新方法
為使用的每個組件計算PCA,并通過將所有單個預測相加得出總可靠性預測。
用于簡單DC / DC轉(zhuǎn)換器的PCA可靠性分析。(表:RECOM)
MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲線擬合從現(xiàn)場操作和測試獲得的經(jīng)驗數(shù)據(jù),提供恒定故障率模型。像PCA分析一樣,PSA模型具有恒定的基本故障率,該故障率由環(huán)境,溫度,應力,質(zhì)量和其他因素決定。但是PSA方法假定沒有對一般恒定故障率的修正。盡管它廣泛適用于板載DC / DC轉(zhuǎn)換器等器件,但MIL-HDBK-217方法初旨在提供零件的結(jié)果,而不是設備或子系統(tǒng)的結(jié)果。
MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似,但是Telcordia SR-332還具有合并老化、現(xiàn)場和實驗室測試數(shù)據(jù)的能力,可用于貝葉斯分析方法。貝葉斯推斷是一種統(tǒng)計推斷的方法,其中隨著更多證據(jù)或信息的獲得,貝葉斯被用于更新假設的概率。
系統(tǒng)設計注意事項
DC / DC轉(zhuǎn)換器故障率分析的重點是工作溫度,輸入電壓和輸出功率,以估算整體應力。良好的熱管理是使用板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器設計可靠系統(tǒng)的重要方面。良好的熱管理始于了解轉(zhuǎn)換器的效率如何影響系統(tǒng)性能。采用更高限額的產(chǎn)品始終是一個好習慣。標稱性能規(guī)格并非始終是選擇。與其查看典型額定值,不如查看情況的額定值,特別是為了提高效率,通常是一個不錯的起點。
用諸如上圖所示的管腳兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器可顯著提高效率,減少熱量并有助于提高可靠性。圖片:RECOM
效率通常是在25°C時的,但對于在較高溫度下運行的系統(tǒng)來說是很常見的。隨著溫度升高,功率半導體和電路板走線的損耗會增加。銅的溫度系數(shù)為+ 0.393%/°C。如果溫度比室溫高1°C,電阻將增加0.393%。轉(zhuǎn)換器效率隨輸入電壓而變化,并隨輸入與標稱電壓的變化而降低。
結(jié)果,在系統(tǒng)開發(fā)過程中進行熱成像對于識別熱點和其他關(guān)注區(qū)域是必要的。通過熱映射,可以針對特定的操作環(huán)境設計正確的熱管理系統(tǒng)。它有助于確定系統(tǒng)運行期間需要監(jiān)視(測量)的區(qū)域。熱映射還可以識別點熱源,例如線性穩(wěn)壓器,可能需要用效率更高的板載DC / DC轉(zhuǎn)換器(例如,開關(guān)穩(wěn)壓器)代替。
盡管熱管理是主要考慮因素,但不應忽視輸入電壓的特性。在臨界值的高線或低線下長時間運行會降低可靠性,而輸入端的浪涌,尖峰和靜電放電(ESD)也會降低產(chǎn)品性能和壽命。在轉(zhuǎn)換器的輸入端使用保護裝置可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。
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