VICOR电源模块应用中的可靠性设计.docx
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VICOR电源模块应用中的可靠性设计
VICOR电源模块应用中的可靠性设计
摘要：
本文介绍了VICOR电源模块的性能特点，同时论述了模块在实际应用中需要采取的一些可靠性设计措施，以保证整个低压电源部件的高可靠性
关键词：
VICOR电源模块可靠性
1.VICOR电源模块简介[1]
VICOR电源模块是美国怀格公司生产的集成化开关电源器件，是目前世界上性能最好，效率最高，功能最全，可靠性最好的电源模块之一。
VICOR电源DC-DC变换器是采用准谐振式零电流（和零电压）开关技术，其转换效率高达80~90%，MTBF≥200万小时，功率密度≥50W/in3。
图1（a）（b）分别示出了VICOR电源DC-DC变换器的电原理图和外形图。
图1（a）VICOR电源DC-DC变换器的电原理图
图1（b）VICOR电源DC-DC变换器的外形图
2.VICOR电源在实际应用中的可靠性设计
VICOR电源模块的高性能和高可靠性为我们设计高可靠的低压电源提供了先决条件，但VICOR电源模块只是组成低压电源的一种器件，怎样利用这些器件并设计合理的外围电路构建成一个完整的可靠性高的电源产品是电源设计者的任务。
一个好的器件，必须要正确地合理的应用，为其尽可能地提供良好的条件和环境才能充分发挥产品的性能。
VICOR电源模块应用中的可靠性设计的目的便是改善其应用条件和环境。
2.1VICOR电源引出端子的正确连接与应用[2]
DC-DC变换器VI-200和VI-J00是VICOR电源的核心器件，它有9个引出端子，正确连接和合理应用这些端子对发挥其功能，保证其可靠性有着至关重要的作用。
1.直流输入脚+IN、-IN。
输入直流电压的正、负端分别连接到+IN和-IN，该电压实际是加在了内部的高频变压器初级绕组与场效应管的串联回路上，场效应管的极限电压和电流就决定了输入电压和电流的极限值，而输入过欠压保护电路将能起到限压和限流的作用。
2.直流输出脚+OUT、-OUT和输出电压检测脚+S、-S。
+S、-S必须分别与+OUT、-OUT相连，当就近接负载、且负载电流较小时，+S、-S可直接与+OUT、-OUT相连；当负载离输出脚较远且负载电流较大时，+OUT、-OUT、+S、-S应分别引到负载的两端再相连。
3.控制信号输入端（GATEIN）和输出端（GATEOUT）。
驱动器的GATEIN可作逻辑控制输入端，用作开/关DC-DC变换器，低电平（＜0.65V）关断，悬空时模块工作。
一些保护电路和控制电路都与该脚有关。
GATEOUT输出脉冲信号，用于同步倍增器的GATEIN，以实现电流均分。
上述两个端子使用不当，将造成模块的损坏，不能将外部电压引入该两脚，GATEIN与-IN之间最好外加0.01uF抗干扰电容和接一只稳压值≤10V的稳压二极管。
4.输出电压调整脚Trim。
利用Trim端与+S和-S之间的电阻，可调节输出电压，特别注意调高时，+S与Trim端接的电阻值，不能超出设定的过压值，否则极易损坏模块。
2.2外围保护电路的设计
外围保护电路的设计是电源可靠性设计的重要组成部分，其主要的保护电路有以下几种：
1.软启动保护电路
低压电源的前端一般接有滤波、储能用的电容器，电容器上的电压是不能突变的，因此，当输入电压加入的瞬间，在输入回路将有很大的冲击电流，这将造成该回路的元器件，如整流器和电容器的损坏，为此，必须设计软启动电路使启动瞬间的冲击电流降低到安全值以下。
图2示出了软启动电路的一种。
图2软启动电路
其工作原理是：
R1为串入输入回路的限流电阻，当接入电源的瞬间，该电阻起到限制瞬时电流的作用，然后随着C1电压的升高，电流将迅速减小到正常的输入电流值，此时为了减小R1上功耗，启动完成后，应利用V1的导通将流经R1的电流旁路掉，V1的导通是通过R4对C4充电到达V2工作，N1导通来实现的。
2.VICOR电源的输入过、欠压保护电路
图3示出了输入过、欠压保护电路。
图3输入过、欠压保护电路
工作原理：
N2为基准电压源，TL431A输入电压通过R9加到N2的K端，R端将产生基准电压2.5V，该电压作为比较器的基准电压，IR7=IR6，当R6=2R7时，K点的电压为7.5V，该电压作为比较器的工作电压，R1、R2和R3组成输入电压的分压电阻，R3的电压为过压信号，当输入电压超过过压设定值时，VR3>2.5V比较器2输出高电平，V4导通，GATEIN电平被拉低，DC-DC被关断而停止工作，R2+R3上的电压降为欠压检测电压，当输入电压降低到欠压设定点时，该检测电压值＜2.5V，比较器1输出低电平，经V1反相输出高电平，同样使V4导通，将GATEIN电平拉低，关断DC-DC，这样就实现了对DC-DC的过、欠压保护功能。
2.VICOR电源的输出过压保护电路
图4示出了一种输出过压保护电路。
图4输出过压保护电路
VICOR电源的全模块VI-2XX和MI-2XX系列变换器内部均设有过压保护电路，但半模块VI-JXX和MI-JXX系列内部没有过压保护电路，当全模块的输出电压调低后使用或采用半模块设计电源时一般需另外设计输出过压保护电路。
图4示出的过压保护电路工作原理是：
当输出电压超出某一设定值时，比较器“6”端的电压高出“5”端电压，“7”端输出低电平，DC-DC的调节端SC（或一代的Trim端）的电位调低，输出电压则调低，而当正常输出时，“6”端的电压低于“5”端电压，“7”端输出为高电平。
由于二极管的隔离作用，对SC端电压无影响，因而对输出电压无影响。
图4中标明的参数是输出电压为18V时的数值。
2.VICOR电源的输入掉电保护电路
当输入电压掉电时，一方面要求电源发出一个掉电信号，另一方面要求稳压电源的输出电压维持≥50ms，以供主机信号处理。
图5示出了一种输入掉电保护电路。
图5输入掉电保护电路
工作原理：
当输入电压Vi正常时光电耦合器N1处于导通状态，PSF提供低电平信号，当Vi掉电时，N1处于截止状态，PSF提供掉电信号高电平，同时大容量的C1电容器（2400uF）继续给N2供电，维持输出电压V0大于50ms供电。
图中V1为隔离二极管，阻止C1向输入回路放电，R1为C1的限流电阻，起缓冲作用，V2作为C1的放电通路。
2.3VICOR电源的热设计
VICOR电源尽管效率高、功率密度大，但仍有10%～20%的功率损耗，而这些功率损耗几乎全用于产生热量，例如一个输出≥300W的电源产品，其损耗功率最高可达60W以上，可能使电源内部的温升达到模块的极限温度，将使电源进入热保护，甚至损坏，因此，必须进行合理的热设计，使温升降到最低，以提高其可靠性。
热设计的主要措施有：
1.充分利用传导散热方式，将模块基板的热量迅速传递到散热板再传递到机箱是热设计的主要措施之一。
VICOR模块的发热器件基本上都贴靠在模块的金属基板上，因此，只要将模块基板的热量导走，模块内部器件的温升就能降低，在设计中，必须设法使所有模块的基板处在同一平面上，并同时紧贴到散热板上，散热板的接触面粗糙度应在3.2以下，为减小接触热阻，导热面应涂上导热硅脂或安放导热垫。
2.采用风机强迫风冷，利用对流散热是热设计的另一重要措施。
输出功率较大，如500W以上的安装式电源，采用风机强迫风冷是必要的。
在设计中必须使发热最大的器件靠近风机，并使散热器的导风槽顺着风向，还要保证风道的畅通，目前公司开发的安装式电源基本上都采用了强迫风冷。
3.其它措施
其它措施，如将发热的分立器件加散热器或采用绝缘措施直接贴在电源金属壳体上；均匀分布发热器件；热敏感器件、精密器件要远离发热器件；传输大电流的印制线和引出线的截面积要尽量的大，尽量减少传输线中的热量等等。
2.4VICOR电源的降额设计
本文着重提及输出功率的降额设计。
VICOR电源的特点之一是工作频率随输出功率的增大而增加，满功率输出时工作频率可达1MHz以上，频率越高越能发挥其优越性，但满功率工作将使模块内部温度升得过高，降低其性能和可靠性，因此根据经验一般讲模块的实际应用功率控制在额定功率的70%～80%较为合理，特别是当多只模块并联使用时考虑电流的不平衡更应降额使用。
2.5VICOR电源的其它可靠性设计措施
1）加固与屏蔽设计
VICOR电源模块是一种功率集成器件，体积和重量较大，VI-200重170克（VI-J00重85克），因此焊装时必须进行加固，加固的方法主要是利用基板的孔或槽与散热器（壳体）固定牢。
同时VICOR电源是一种高频工作的开关电源，对周围电路均有辐射干扰，因此，一方面在模块腹部要设计屏蔽层，另一方面对模块电源本身要利用金属壳体进行电磁屏蔽。
2.输入端的抗电磁干扰设计
a.在电源模块的输入端设置瞬变电压吸收二极管（TVS）和电容器，可吸收电压尖峰，但最好是在前端增设VI-AIM（VI-IAM）；
b.输入设置EMI滤波器，可满足输入线的电磁发射与传导敏感度的要求。
2.输出端的滤波设计
输出端的合理滤波，减少输出的文本电压是保证低电源电磁兼容性的有效措施。
输出滤波一般可选用一下三种方式：
a.电容滤波方式，一般可使输出纹波电压峰-峰值Vpp≤100mv；
b.LC滤波方式，一般可使输出纹波电压峰-峰值Vpp≤50mv；
c.采用纹波衰减模块滤波，可使输出纹波电压峰-峰值Vpp≤20mv。
参考文献
1.VICOR电源模块应用手册第一版[G].怀格香港有限公司.
2.VICOR电源模块设计指南和应用手册[G].怀格香港有限公司.
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