干货 | 电源模块的可靠性设计有何诀窍?

现在电源模块的体积越来越小，功率密度也越来越高，并且模块的工作环境也愈发恶劣，其高低温设计、热设计以及应力问题逐渐引起了各位工程师的重视。电源模块的可靠性设计有何秘籍？本文为你揭晓。

对于一个电源模块来说，首先要满足输入电压范围、额定功率、隔离耐压、效率、纹波和噪声等输入输出特性满足使用要求。而在这之后各位工程师最常关注的参数便是其高低温性能了。

高低温测试

一般在不同的使用领域，对电源模块的工作温度范围要求是不同的

高低温测试被用来确定产品在低温、高温两个极端气候环境条件下的适应性和一致性。因为元器件的特性在低温、高温的条件下会发生一定的变化，性能参数具有温度漂移特性。所以往往很多电源模块在常温条件下没有问题，但拿到高低温环境测试就发现工作不正常或者性能参数明显下降。

电源模块低温和高温工作常常会造成以下现象：

工作振荡，输出电压纹波和噪声变大，频率发生改变，严重的甚至输出电压跳变，模块啸叫；

启动不良，如启动时输出电压升上波形有明显掉沟，输出电压不稳定，甚至模块完全启动失效；

带容性负载能力减弱，无法带最大容性负载启动；

启动时输出电压过冲幅度变大，超出规定范围；

重载或满载工作时输出电压明显降低；

高温老化损坏，模块没有输出；

热设计

电源模块的热设计，简单来说就是：通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少模块内部产生的热量，减少热阻，选择合理的冷却方式。发热元器件要尽可能使其分散布局。设计PCB板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导。对于大功率的贴片元器件，可以采用大面积敷铜箔的方式，以加大PCB的散热面积。电源模块内部可通过填充导热硅胶和树脂等来降低模块内部元器件的温升。对于体积较大的电源模块，可以使用散热片进行散热，增加对流和辐射的表面积从而大大地改善了电子器件的散热效果。

图中展示的是尚未灌封的某电源模块，常温长时间工作后采用红外热成像仪测试其表面温度。其中MOS管常温不灌封实测的最高温度为85.5℃，然后采用热电偶配合数据采集仪对填充灌封胶的成品在高温条件下测试其各种情况下的温度，最高为97.2℃，对于最高温度为175℃的MOS管，其温度降额满足Ⅰ级降额，性能可谓是比较优异的。

降额设计

所谓的降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。将元器件进行降额使用使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，具体降额等级可以参考《国家军用标准——元器件降额准则GJB/Z35-93》，一般可分成三个降额等级：

应力设计

对于电源模块的应力设计，重点关注场效应管(MOS管)、二极管、变压器、功率电感、电解电容、限流电阻等。保证全电压范围内在稳态、瞬态、短路等各种极限条件下都能有足够的降额，以保障产品的可靠性。例如对于某Vds最高电压为100V的MOS管，作为电源模块的主功率开关管，实测其在最高输入电压下的各种状态(如图1～3所示)，最高Vds=67.2V，降额因子0.672，满足Ⅰ级降额，余量很充足。

图1 稳态工作时MOS管波形Vds_max=57.2V

图2 输出短路时MOS管波形Vds_max=67.2V

图3 起机瞬态时MOS管波形Vds_max=59V

由于电源模块越趋于小型化，功率密度相应越来越高，电源模块有关热设计方面的问题尤其突出。特别是对使用有电解电容的电源模块，高温会使电解电容的电解液加速消耗，大大减少电解电容的寿命。高温会使元器件材料加速老化，例如使得变压器漆包线的绝缘特性降低，导致绝缘耐压不良甚至造成匝间短路。良好的热设计不仅可延长电源模块和其周围元器件的使用寿命，还可使整个产品发热均匀，减少故障的发生。