現在電源模塊的體積越來越小，功率密度也越來越高，並且模塊的工作環境也愈發惡劣，其高低溫設計、熱設計以及應力問題逐漸引起了各位工程師的重視。電源模塊的可靠性設計有何秘籍？本文為你揭曉。
對於一個電源模塊來說，首先要滿足輸入電壓範圍、額定功率、隔離耐壓、效率、紋波和噪聲等輸入輸出特性滿足使用要求。而在這之後各位工程師最常關注的參數便是其高低溫性能了。
高低溫測試
一般在不同的使用領域，對電源模塊的工作溫度範圍要求是不同的：
高低溫測試被用來確定產品在低溫、高溫兩個極端氣候環境條件下的適應性和一致性。因為元器件的特性在低溫、高溫的條件下會發生一定的變化，性能參數具有溫度漂移特性。所以往往很多電源模塊在常溫條件下沒有問題，但拿到高低溫環境測試就發現工作不正常或者性能參數明顯下降。
電源模塊低溫和高溫工作常常會造成以下現象：
工作振蕩，輸出電壓紋波和噪聲變大，頻率發生改變，嚴重的甚至輸出電壓跳變，模塊嘯叫；
啟動不良，如啟動時輸出電壓升上波形有明顯掉溝，輸出電壓不穩定，甚至模塊完全啟動失效；
帶容性負載能力減弱，無法帶最大容性負載啟動；
啟動時輸出電壓過沖幅度變大，超出規定範圍；
重載或滿載工作時輸出電壓明顯降低；
高溫老化損壞，模塊沒有輸出；
熱設計
電源模塊的熱設計，簡單來說就是：通過熱設計在滿足性能要求的前提下儘可能減少模塊內部產生的熱量，減少熱阻，選擇合理的冷卻方式。發熱元器件要儘可能使其分散布局。設計PCB板時要保證印製線的載流容量，印製線的寬度必須適於電流的傳導。對於大功率的貼片元器件，可以採用大面積敷銅箔的方式，以加大PCB的散熱面積。電源模塊內部可通過填充導熱矽膠和樹脂等來降低模塊內部元器件的溫升。對於體積較大的電源模塊，可以使用散熱片進行散熱，增加對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。
圖中展示的是尚未灌封的某電源模塊，常溫長時間工作後採用紅外熱成像儀測試其表面溫度。其中MOS管常溫不灌封實測的最高溫度為85.5℃，然後採用熱電偶配合數據採集儀對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℃，對於最高溫度為175℃的MOS管，其溫度降額滿足Ⅰ級降額，性能可謂是比較優異的。
降額設計
所謂的降額設計是使零部件的使用應力低於其額定應力的一種設計方法。將元器件進行降額使用使電子元器件的工作應力適當低於其規定的額定值，具體降額等級可以參考《國家軍用標準——元器件降額準則GJB/Z35-93》，一般可分成三個降額等級：
應力設計
對於電源模塊的應力設計，重點關注場效應管(MOS管)、二極體、變壓器、功率電感、電解電容、限流電阻等。保證全電壓範圍內在穩態、瞬態、短路等各種極限條件下都能有足夠的降額，以保障產品的可靠性。例如對於某Vds最高電壓為100V的MOS管，作為電源模塊的主功率開關管，實測其在最高輸入電壓下的各種狀態(如圖1～3所示)，最高Vds=67.2V，降額因子0.672，滿足Ⅰ級降額，餘量很充足。
圖1 穩態工作時MOS管波形Vds_max=57.2V
圖2 輸出短路時MOS管波形Vds_max=67.2V
圖3 起機瞬態時MOS管波形Vds_max=59V
由於電源模塊越趨於小型化，功率密度相應越來越高，電源模塊有關熱設計方面的問題尤其突出。特別是對使用有電解電容的電源模塊，高溫會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，導致絕緣耐壓不良甚至造成匝間短路。良好的熱設計不僅可延長電源模塊和其周圍元器件的使用壽命，還可使整個產品發熱均勻，減少故障的發生。
影響電源可靠性的因素
1、電壓應力
電源電壓應力是保證電源可靠性的一個重要指標。在電源中有許多器件都有規定最大耐壓值，比如：場效應管的Vds和Vgs、二極體的反向耐壓、IC的最大VCC電壓以及輸入輸出電容的最大耐壓。所以我們設計時必須要考慮到器件要承受的最大電壓。再根據電壓選擇適當器件，最後再進行實際測試加以驗證。但在測試時我們必須測試電源所有工作狀態的電壓應力，以確保在最惡劣的工作狀態下也能留出約10%的安全裕量。
2、電流應力
電源電流應力往往與熱應力密切相關，比如二極體SK54最大平均電流為5A，但是它是在滿足熱應力降額前提下的極限參數。所以我們選擇器件時必須要同時滿足器件的電流應力與熱應力；在滿足器件熱應力的前提下，選擇合適額定電流值的器件方可保證電源可靠性要求。
3、反饋環路
反饋環路是電源的重要組成部分，我們設計電源時必須要保證反饋環路的穩定。所以我們設計環路參數時需要保持一定裕度；比如增益裕度一般保持在20db左右，相位裕度保持在45度左右，穿越頻率一般設置在開關頻率的1/6。再實際測試加以驗證環路的穩定性。
4、磁性元件的磁飽和
我們在設計反激變壓器以及一些儲能電感時，設定最大磁通量Bm尤為關鍵。由於電源起機和短路保護時最大磁通量Bm大於穩態工作時的Bm，所以我設定變壓器的Bm時需要預留足夠的裕度。如圖 1所示，磁芯溫度為100℃曲線可知Bm=0.35T時磁芯接近飽和，所以出於對電源起機、輸出過流和短路等極限情況考慮，鐵氧體P4材質的變壓器的穩態Bm一般小於0.25T。