电源解决方案如何影响系统可靠性?

任何电气或电子系统可靠性的关键是在需要时就有电可使用,但推动电源模块或子系统实现最终稳健性依靠是多年对故障物理学以及将这些知识经过大量试误,然后应用在电源设计上。如果一个设计不能被经济实惠地制造出来,那么再好的设计也毫无价值,因此要将如何实践可靠的设计与最终解决方案的验证和大量生产要素全部联系起来,这对于理解关键系统性能与电源解决方案工程的众多因素之间的关联是必不可少的。

电源解决方案如何影响系统可靠性?

电源解决方案以多种方式影响系统可靠性,有些方式比其他方式更明显。首先,系统通常需要启动才能正常运行,加上电子或电气系统在没有电源的情况下也无法工作,因此仅仅是能够启动就是可靠性的核心衡量标准。当然,这也是许多人会先想到的地方。除了启动运作之外,系统的性能还与电源的质量有关。换句话说,必须满足每个系统电压轨的特性和规范才能被认为是可接受的质量,这样才能满足负载的需求,从而保证电源质量不会抑制负载性能。电源的电压调节能力(有不同的输入电压或输出负载的变化)、在不影响电源稳定性或超过可接受的限度的情况下可以适应怎样的瞬态或负载阶跃、输出电压升高的速度或平稳度,以及需要满足哪些安全法规或标准才能获得合法运输产品所需的报告或认证,这些都跟电源质量有关。

综上所述,电源调节不但适用于输入也适用于输出。即使输出端圆满完成工作,反射回输入端的噪声也会影响共享同一线路或总线的其他设备。如果这种交叉干扰在许多单元和系统之间扩展,影响甚至会对设施的可靠性或稳定性产生不利影响。AC/DC 电源的功率因数校正 (PFC) 或最大总谐波失真 (THD) 水平是为了解决这一现象,但与终端系统的性能无关。

由于电气系统所有部分都要有电才能运行,因此许多机电组件将电源与负载在物理上连接,这往往是常见的故障点,成为系统可靠性的优化瓶颈。在对电源解决方案进行故障分析时,连接器、线束、电线和焊点通常是要先被调查的罪魁祸首。任何可以物理移动的东西都归在此类,例如开关和风扇。

滤波器组件是电源物料清单 (BOM) 所关注的另一个主要项目,即电容器、变压器和电感器等储能设备。电容器的可靠性通常取决于电解质材料的状态,电解质材料通常为液态,会随着时间的推移以及温度和电应力(即纹波)的变化而蒸发甚至脱气。除了温度和电应力(磁芯饱和)以外,磁性组件的结构本就复杂而且若是人工组装而成,这些都可能成为可靠性弱点。

检视所有电源和系统重迭的重点项目也是一个很好的开始,来减轻每个项目的相关风险。除了将这些内容列出以外,此练习还提供了一些很好的线索,提醒在不断追求提高系统可靠性的过程中要将设计和验证重点放在何处。系统可靠性可以用许多不同的方式表示,这些方式通常透过检视上述可靠性瓶颈的故障统计数据来计算并预测寿命或失效(参见「平均故障间隔时间」(MTBF) 和「平均故障时间」(MTTF))。

促成电源解决方案设计和制造方法可靠性的关键因素

考虑到典型电源必要的元素,再看到这些强大的子系统有大量定制 BOM、多种机电组件和高功率密度,在被安全且重复制造的同时还能保持最高良率,似乎是个奇迹。即使是看起来相对简单的电源解决方案也是经过多年的艰苦努力,一路从原材料采购到最后的报废 (EOL) 处理,不断从试错中吸取教训并优化流程。

在设计阶段,大多数有经验的电源设计师都会参考某种降额指南,对于应该使用多少余量以利用特定组件或设计系统所提出建议。换句话说,对于任何特定品质因数 (FOM),应该要将项目额定最大规格降低多少来计算最大应力和预期性能?这适用于组件的额定电压或电流、外部环境温度或机械应力等物理属性的所有品质因数。通常来说,安全工作极限是由多项品质因数决定,例如半导体工作到最大结温限制,可能与通道电流直接相关。降额指南或标准往往是根据大量经验和数据,而这些也是根据所需的特定组件、材料和应用而来。遵循一些规则可以让没有多年经验的新手设计师透过指南做出明智的决定。

故障物理学的历史基础和研究有点超出本篇文章的范围,但还是可以简单介绍设计人员在这方面可能会运用到的分析。上一节中引用的统计学算法通常会采用 Arrhenius 方程的某些变体,该方程计算化学反应速率常数随温度变化的关系,组件在整个生命周期中观察到的能量表现出足够的热应力时可预测到恶化到某个阈值会发生故障。将这些性能或故障预测与上述根据大量经验和数据的指南互相结合而产生的过程文件,这些高质量的电源设计资源将被谨慎开发、维护和执行,其中可能包括质量管理系统 (QMS) 或其他过程控制和数据捕获框架。若要确定特定资源的质量,最快的方法是找出所使用的标准、认证或流程的种类;请参考普遍认可的 ISO 9001 标准。

对于电源解决方案的设计和操作来说磁性组件是不可或缺的一部分,由于磁性组件涉及人工流程以及复杂的结构而成为常见的故障点之外(更别提电磁兼容性或 EMC),许多认真的电源设计师会需要投入大量精力来优化变压器和电感器的材料和设计(电气和机械上的优化)。变压器的构造不仅对性能至关重要,而且透过电流隔离用户或负载以避免不安全电压带来的危害,可能是确保电源解决方案(以及最终系统)安全的第一道防线。这些组件本身具有额外的负担因为它们通常是系统里最大的,无论是尺寸或质量。这意味着除了刚才概述的所有因素以外,光是固定这些大型组件就极为重要,因为要确保它们承受高于系统预期的最大冲击和振动应力时仍保持安稳。

一个解决方案的成功与否,取决于用来评估设计性能和最大限制的测试方式和验证框架。当然大部分的系统设计人员都会经过某种程度的设计验证测试(DVT,又名平台测试),但将被测单元 (UUT) 放在精心设计的实验中,系统性地进行故障测试(尤其是达到断点)可以将一个好的、可接受的设计与一个优秀的、高度可靠的设计区分开来。这一系列的测试属于「高度加速」,因为它们模拟系统在整个生命周期中可能遇到的极端压力,在更合理的开发时间(以数周或数月代表使用多年)内发现故障机制。这些类型的测试还可能在实验室环境中施加电、热和机械应力,而这些应力测试若要在相对简单的测试平台上执行是无法做到的甚至是不安全的。其他类似的测试包括高加速寿命测试 (HALT) 以在设计阶段将原型推向极限,或是高加速应力筛选或稽核(HASS/HASA) 不断从生产中抽样并定期对它们进行加速寿命测试来确保产品的可靠性。

现代电源解决方案如何提高系统可靠性?

电源解决方案与整体系统可靠性相关的关键故障点已经有许多讨论,电源解决方案专家通常采取的方式是根据故障物理学来分析此类瓶颈以进行相应的设计。若要进一步强化制造和组装方法,也许更深入研究电源设计和制造的细节是有用的。

由于机电组件是系统公认的最常见的弱点,因此解决方法显然是单纯地消除这些组件,但这说起来容易做起来难。光是知道风扇体积庞大且容易出现机械故障并不意味着组件无法保持足够低温以在没有风扇的情况下正常运行,因此利用其他热缓解的技术(即散热、均热),结合智能电源管理技术降低功耗,就可能让一个需要使用风扇进行强制冷却的系统与另一个可以通过辐射或自然对流冷却的系统之间存在决定性的不同。事实上,任何可以提高电源解决方案的整体功能转换效率的事物都会增加这一价值主张,例如宽带隙 (WBG) 半导体或降低电容器纹波,因为效率与解决方案的功耗成反比。

用表面贴装 (SM) 焊盘取代通孔 (TH) 引脚是电源解决方案的趋势,并且只是近年来众多先进封装的其中一种。虽然表面贴装本身并不是什么新技术,但将高电流或热负载更直接地从封装引线框架和半导体组件转移到外部印刷电路板 (PCB) 和散热器或均热片的能力已经取得了很大进步,特别是借助三维电源封装(3DPPR) 技术。更清洁的连接方法也促使使用更高阶的焊接标准,例如 IPC-610,因为焊点通常是质量经理和负责调试现场问题的人的痛点。

先前已讨论过要尽可能将人工绕线的方式转为自动化过程,特别是磁性组件。现代封装和异质集成技术透过结合平面磁体而变得更加进步。将磁体绕组合并到 PCB 经过精心配置的迭加走线(通常是在同一个板子上面放置其他系统组件),然后将磁体或磁芯材料在走线周围封闭起来以形成磁性结构。这样做会带来一系列优势,从减小尺寸到实现有严格公差的极复杂几何形状,还能减少使用不那么可靠的组件并推动规模经济和自动化生产。平面磁体还可以促进改进印刷电路组件 (PCA) 的三防胶或气密密封技术以防止环境因素影响系统可靠性,例如灰尘、湿气以及空气中的导电粒子。

在电源解决方案的推动下,即使是日益复杂的组件,制造流程和组件跟踪文件的改进,让系统可靠性有了几乎是不可预期的长足进展。改善的可追溯性和全球对原材料人道采购的关注使得我们不仅能够追踪电源每个组件的批次或制造日期溯源,甚至还能追溯到材料是来自于哪个国家或矿产,所有信息皆可通过电源序列号查询。这种级别的跟踪和可追溯性来自多年的文书工作和数据库,从文件柜里的文件演变为独一无二的数字 ID,因此一个组件可以追溯到零件配套、封装、测试、装运甚至是现场应用。这些进步的文件管制流程除了对能够顺利从产线生产出来的组件很重要,对于管制重工组件或PCA的质量也很有贡献。若能溯源,曾经因为无法追溯而无法调查出原因的谜团就能够进行失效分析找出根本原因并持续优化系统可靠性。不然如何知道只是为了产线操作员短期便利而让PCB在错误的焊料回流炉中经历了不受支持的热曲线?

结论

任何系统的强度都取决于最弱的弱点,而电源在提高系统可靠性上面临了大量的潜在瓶颈。毕竟就零件数量和设计复杂性而言,电源解决方案与任何其他子系统或组件一样具有挑战性,甚至可以跟整个系统设计媲美。意识并内化这一点可以将这些弱点变成世界上最强大、最可靠的系统(甚至是太空应用,那里可没有保修退货和维修)。

几十年来,人们对电源解决方案中的故障物理原理进行了非常深入的研究,因此设计人员现在手头上有大量的工具和指南。这些有用的方法可以更具体地帮助某些行业和应用,但应注意的是即使是为一个市场或垂直市场量身定制的,它仍然可以很容易取得(例如便宜)且适合其他的市场。例如,像 IPC-9592B 这样的标准降额指南和加速寿命测试是针对大型计算机和电信系统而制定的,但它们也可促进可靠且负担得起的消费产品开发。MIL-HDBK-217 和 MIL-HDBK-338B 等标准是为军事用途建立的,但也可用在其他高可靠性的应用上。

注意:一定要注意一些内容的日期,自己深入研究有哪些内容适用于特定的应用,因为有些可能已经过时。此外,请注意指南所参考的文献和背景信息,以确保任何数据或假设适用于当前应用。

幸运的是,现今的设计人员有非常可靠的直接替代解决方案,不仅外形尺寸良好还与各种制造流程兼容。先进的封装和 3DPP 技术在利用先进 (SOTA) 商用现成(COTS) 的电源子系统时,也为系统设计人员提供集成电源解决方案所带来的优势和坚固性。

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来源:轩哥技术分享
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