任何電氣或電子系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵是在需要時就有電可使用，但推動電源模塊或子系統(tǒng)實現(xiàn)最終穩(wěn)健性依靠是多年對故障物理學(xué)以及將這些知識經(jīng)過大量試誤，然后應(yīng)用在電源設(shè)計上。如果一個設(shè)計不能被經(jīng)濟實惠地制造出來，那么再好的設(shè)計也毫無價值，因此要將如何實踐可靠的設(shè)計與最終解決方案的驗證和大量生產(chǎn)要素全部聯(lián)系起來，這對于理解關(guān)鍵系統(tǒng)性能與電源解決方案工程的眾多因素之間的關(guān)聯(lián)是必不可少的。

電源解決方案如何影響系統(tǒng)可靠性？

電源解決方案以多種方式影響系統(tǒng)可靠性，有些方式比其他方式更明顯。首先，系統(tǒng)通常需要啟動才能正常運行，加上電子或電氣系統(tǒng)在沒有電源的情況下也無法工作，因此僅僅是能夠啟動就是可靠性的核心衡量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，這也是許多人會先想到的地方。除了啟動運作之外，系統(tǒng)的性能還與電源的質(zhì)量有關(guān)。換句話說，必須滿足每個系統(tǒng)電壓軌的特性和規(guī)范才能被認(rèn)為是可接受的質(zhì)量，這樣才能滿足負(fù)載的需求，從而保證電源質(zhì)量不會抑制負(fù)載性能。電源的電壓調(diào)節(jié)能力（有不同的輸入電壓或輸出負(fù)載的變化）、在不影響電源穩(wěn)定性或超過可接受的限度的情況下可以適應(yīng)怎樣的瞬態(tài)或負(fù)載階躍、輸出電壓升高的速度或平穩(wěn)度，以及需要滿足哪些安全法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)才能獲得合法運輸產(chǎn)品所需的報告或認(rèn)證，這些都跟電源質(zhì)量有關(guān)。

綜上所述，電源調(diào)節(jié)不但適用于輸入也適用于輸出。即使輸出端圓滿完成工作，反射回輸入端的噪聲也會影響共享同一線路或總線的其他設(shè)備。如果這種交叉干擾在許多單元和系統(tǒng)之間擴展，影響甚至?xí)υO(shè)施的可靠性或穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。AC/DC 電源的功率因數(shù)校正 (PFC) 或最大總諧波失真 (THD) 水平是為了解決這一現(xiàn)象，但與終端系統(tǒng)的性能無關(guān)。

由于電氣系統(tǒng)所有部分都要有電才能運行，因此許多機電組件將電源與負(fù)載在物理上連接，這往往是常見的故障點，成為系統(tǒng)可靠性的優(yōu)化瓶頸。在對電源解決方案進(jìn)行故障分析時，連接器、線束、電線和焊點通常是要先被調(diào)查的罪魁禍?zhǔn)?。任何可以物理移動的東西都?xì)w在此類，例如開關(guān)和風(fēng)扇。

濾波器組件是電源物料清單 (BOM) 所關(guān)注的另一個主要項目，即電容器、變壓器和電感器等儲能設(shè)備。電容器的可靠性通常取決于電解質(zhì)材料的狀態(tài)，電解質(zhì)材料通常為液態(tài)，會隨著時間的推移以及溫度和電應(yīng)力（即紋波）的變化而蒸發(fā)甚至脫氣。除了溫度和電應(yīng)力（磁芯飽和）以外，磁性組件的結(jié)構(gòu)本就復(fù)雜而且若是人工組裝而成，這些都可能成為可靠性弱點。

檢視所有電源和系統(tǒng)重迭的重點項目也是一個很好的開始，來減輕每個項目的相關(guān)風(fēng)險。除了將這些內(nèi)容列出以外，此練習(xí)還提供了一些很好的線索，提醒在不斷追求提高系統(tǒng)可靠性的過程中要將設(shè)計和驗證重點放在何處。系統(tǒng)可靠性可以用許多不同的方式表示，這些方式通常透過檢視上述可靠性瓶頸的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)來計算并預(yù)測壽命或失效（參見「平均故障間隔時間」(MTBF) 和「平均故障時間」(MTTF))。

促成電源解決方案設(shè)計和制造方法可靠性的關(guān)鍵因素

考慮到典型電源必要的元素，再看到這些強大的子系統(tǒng)有大量定制 BOM、多種機電組件和高功率密度，在被安全且重復(fù)制造的同時還能保持最高良率，似乎是個奇跡。即使是看起來相對簡單的電源解決方案也是經(jīng)過多年的艱苦努力，一路從原材料采購到最后的報廢 (EOL) 處理，不斷從試錯中吸取教訓(xùn)并優(yōu)化流程。

在設(shè)計階段，大多數(shù)有經(jīng)驗的電源設(shè)計師都會參考某種降額指南，對于應(yīng)該使用多少余量以利用特定組件或設(shè)計系統(tǒng)所提出建議。換句話說，對于任何特定品質(zhì)因數(shù) (FOM)，應(yīng)該要將項目額定最大規(guī)格降低多少來計算最大應(yīng)力和預(yù)期性能？這適用于組件的額定電壓或電流、外部環(huán)境溫度或機械應(yīng)力等物理屬性的所有品質(zhì)因數(shù)。通常來說，安全工作極限是由多項品質(zhì)因數(shù)決定，例如半導(dǎo)體工作到最大結(jié)溫限制，可能與通道電流直接相關(guān)。降額指南或標(biāo)準(zhǔn)往往是根據(jù)大量經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，而這些也是根據(jù)所需的特定組件、材料和應(yīng)用而來。遵循一些規(guī)則可以讓沒有多年經(jīng)驗的新手設(shè)計師透過指南做出明智的決定。

故障物理學(xué)的歷史基礎(chǔ)和研究有點超出本篇文章的范圍，但還是可以簡單介紹設(shè)計人員在這方面可能會運用到的分析。上一節(jié)中引用的統(tǒng)計學(xué)算法通常會采用 Arrhenius 方程的某些變體，該方程計算化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系，組件在整個生命周期中觀察到的能量表現(xiàn)出足夠的熱應(yīng)力時可預(yù)測到惡化到某個閾值會發(fā)生故障。將這些性能或故障預(yù)測與上述根據(jù)大量經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的指南互相結(jié)合而產(chǎn)生的過程文件，這些高質(zhì)量的電源設(shè)計資源將被謹(jǐn)慎開發(fā)、維護和執(zhí)行，其中可能包括質(zhì)量管理系統(tǒng) (QMS) 或其他過程控制和數(shù)據(jù)捕獲框架。若要確定特定資源的質(zhì)量，最快的方法是找出所使用的標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證或流程的種類；請參考普遍認(rèn)可的 ISO 9001 標(biāo)準(zhǔn)。

對于電源解決方案的設(shè)計和操作來說磁性組件是不可或缺的一部分，由于磁性組件涉及人工流程以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而成為常見的故障點之外（更別提電磁兼容性或 EMC），許多認(rèn)真的電源設(shè)計師會需要投入大量精力來優(yōu)化變壓器和電感器的材料和設(shè)計（電氣和機械上的優(yōu)化）。變壓器的構(gòu)造不僅對性能至關(guān)重要，而且透過電流隔離用戶或負(fù)載以避免不安全電壓帶來的危害，可能是確保電源解決方案（以及最終系統(tǒng)）安全的第一道防線。這些組件本身具有額外的負(fù)擔(dān)因為它們通常是系統(tǒng)里最大的，無論是尺寸或質(zhì)量。這意味著除了剛才概述的所有因素以外，光是固定這些大型組件就極為重要，因為要確保它們承受高于系統(tǒng)預(yù)期的最大沖擊和振動應(yīng)力時仍保持安穩(wěn)。

一個解決方案的成功與否，取決于用來評估設(shè)計性能和最大限制的測試方式和驗證框架。當(dāng)然大部分的系統(tǒng)設(shè)計人員都會經(jīng)過某種程度的設(shè)計驗證測試（DVT，又名平臺測試），但將被測單元 (UUT) 放在精心設(shè)計的實驗中，系統(tǒng)性地進(jìn)行故障測試（尤其是達(dá)到斷點）可以將一個好的、可接受的設(shè)計與一個優(yōu)秀的、高度可靠的設(shè)計區(qū)分開來。這一系列的測試屬于「高度加速」，因為它們模擬系統(tǒng)在整個生命周期中可能遇到的極端壓力，在更合理的開發(fā)時間（以數(shù)周或數(shù)月代表使用多年）內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障機制。這些類型的測試還可能在實驗室環(huán)境中施加電、熱和機械應(yīng)力，而這些應(yīng)力測試若要在相對簡單的測試平臺上執(zhí)行是無法做到的甚至是不安全的。其他類似的測試包括高加速壽命測試 (HALT) 以在設(shè)計階段將原型推向極限，或是高加速應(yīng)力篩選或稽核(HASS/HASA) 不斷從生產(chǎn)中抽樣并定期對它們進(jìn)行加速壽命測試來確保產(chǎn)品的可靠性。

現(xiàn)代電源解決方案如何提高系統(tǒng)可靠性？

電源解決方案與整體系統(tǒng)可靠性相關(guān)的關(guān)鍵故障點已經(jīng)有許多討論，電源解決方案專家通常采取的方式是根據(jù)故障物理學(xué)來分析此類瓶頸以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計。若要進(jìn)一步強化制造和組裝方法，也許更深入研究電源設(shè)計和制造的細(xì)節(jié)是有用的。

由于機電組件是系統(tǒng)公認(rèn)的最常見的弱點，因此解決方法顯然是單純地消除這些組件，但這說起來容易做起來難。光是知道風(fēng)扇體積龐大且容易出現(xiàn)機械故障并不意味著組件無法保持足夠低溫以在沒有風(fēng)扇的情況下正常運行，因此利用其他熱緩解的技術(shù)（即散熱、均熱），結(jié)合智能電源管理技術(shù)降低功耗，就可能讓一個需要使用風(fēng)扇進(jìn)行強制冷卻的系統(tǒng)與另一個可以通過輻射或自然對流冷卻的系統(tǒng)之間存在決定性的不同。事實上，任何可以提高電源解決方案的整體功能轉(zhuǎn)換效率的事物都會增加這一價值主張，例如寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體或降低電容器紋波，因為效率與解決方案的功耗成反比。

用表面貼裝 (SM) 焊盤取代通孔 (TH) 引腳是電源解決方案的趨勢，并且只是近年來眾多先進(jìn)封裝的其中一種。雖然表面貼裝本身并不是什么新技術(shù)，但將高電流或熱負(fù)載更直接地從封裝引線框架和半導(dǎo)體組件轉(zhuǎn)移到外部印刷電路板 (PCB) 和散熱器或均熱片的能力已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，特別是借助三維電源封裝(3DPPR) 技術(shù)。更清潔的連接方法也促使使用更高階的焊接標(biāo)準(zhǔn)，例如 IPC-610，因為焊點通常是質(zhì)量經(jīng)理和負(fù)責(zé)調(diào)試現(xiàn)場問題的人的痛點。

先前已討論過要盡可能將人工繞線的方式轉(zhuǎn)為自動化過程，特別是磁性組件。現(xiàn)代封裝和異質(zhì)集成技術(shù)透過結(jié)合平面磁體而變得更加進(jìn)步。將磁體繞組合并到 PCB 經(jīng)過精心配置的迭加走線（通常是在同一個板子上面放置其他系統(tǒng)組件），然后將磁體或磁芯材料在走線周圍封閉起來以形成磁性結(jié)構(gòu)。這樣做會帶來一系列優(yōu)勢，從減小尺寸到實現(xiàn)有嚴(yán)格公差的極復(fù)雜幾何形狀，還能減少使用不那么可靠的組件并推動規(guī)模經(jīng)濟和自動化生產(chǎn)。平面磁體還可以促進(jìn)改進(jìn)印刷電路組件 (PCA) 的三防膠或氣密密封技術(shù)以防止環(huán)境因素影響系統(tǒng)可靠性，例如灰塵、濕氣以及空氣中的導(dǎo)電粒子。

在電源解決方案的推動下，即使是日益復(fù)雜的組件，制造流程和組件跟蹤文件的改進(jìn)，讓系統(tǒng)可靠性有了幾乎是不可預(yù)期的長足進(jìn)展。改善的可追溯性和全球?qū)υ牧先说啦少彽年P(guān)注使得我們不僅能夠追蹤電源每個組件的批次或制造日期溯源，甚至還能追溯到材料是來自于哪個國家或礦產(chǎn)，所有信息皆可通過電源序列號查詢。這種級別的跟蹤和可追溯性來自多年的文書工作和數(shù)據(jù)庫，從文件柜里的文件演變?yōu)楠氁粺o二的數(shù)字 ID，因此一個組件可以追溯到零件配套、封裝、測試、裝運甚至是現(xiàn)場應(yīng)用。這些進(jìn)步的文件管制流程除了對能夠順利從產(chǎn)線生產(chǎn)出來的組件很重要，對于管制重工組件或PCA的質(zhì)量也很有貢獻(xiàn)。若能溯源，曾經(jīng)因為無法追溯而無法調(diào)查出原因的謎團就能夠進(jìn)行失效分析找出根本原因并持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)可靠性。不然如何知道只是為了產(chǎn)線操作員短期便利而讓PCB在錯誤的焊料回流爐中經(jīng)歷了不受支持的熱曲線？

結(jié)論

任何系統(tǒng)的強度都取決于最弱的弱點，而電源在提高系統(tǒng)可靠性上面臨了大量的潛在瓶頸。畢竟就零件數(shù)量和設(shè)計復(fù)雜性而言，電源解決方案與任何其他子系統(tǒng)或組件一樣具有挑戰(zhàn)性，甚至可以跟整個系統(tǒng)設(shè)計媲美。意識并內(nèi)化這一點可以將這些弱點變成世界上最強大、最可靠的系統(tǒng)（甚至是太空應(yīng)用，那里可沒有保修退貨和維修）。

幾十年來，人們對電源解決方案中的故障物理原理進(jìn)行了非常深入的研究，因此設(shè)計人員現(xiàn)在手頭上有大量的工具和指南。這些有用的方法可以更具體地幫助某些行業(yè)和應(yīng)用，但應(yīng)注意的是即使是為一個市場或垂直市場量身定制的，它仍然可以很容易取得（例如便宜）且適合其他的市場。例如，像 IPC-9592B 這樣的標(biāo)準(zhǔn)降額指南和加速壽命測試是針對大型計算機和電信系統(tǒng)而制定的，但它們也可促進(jìn)可靠且負(fù)擔(dān)得起的消費產(chǎn)品開發(fā)。MIL-HDBK-217 和 MIL-HDBK-338B 等標(biāo)準(zhǔn)是為軍事用途建立的，但也可用在其他高可靠性的應(yīng)用上。

注意：一定要注意一些內(nèi)容的日期，自己深入研究有哪些內(nèi)容適用于特定的應(yīng)用，因為有些可能已經(jīng)過時。此外，請注意指南所參考的文獻(xiàn)和背景信息，以確保任何數(shù)據(jù)或假設(shè)適用于當(dāng)前應(yīng)用。

幸運的是，現(xiàn)今的設(shè)計人員有非常可靠的直接替代解決方案，不僅外形尺寸良好還與各種制造流程兼容。先進(jìn)的封裝和 3DPP 技術(shù)在利用先進(jìn) (SOTA) 商用現(xiàn)成(COTS) 的電源子系統(tǒng)時，也為系統(tǒng)設(shè)計人員提供集成電源解決方案所帶來的優(yōu)勢和堅固性。

審核編輯：湯梓紅