改善板電源系統可靠性
最近幾年,典型設備板上的電壓顯著(zhù)地降低,很多情況下降到1V或更低,而總的板功率繼續急增。增加的不同軌電壓也使電源系統中軌之間定序和跟蹤變復雜。同時(shí),為了降低設備發(fā)生故障時(shí)間,對可靠性和可用性的要求不斷增加。
有幾種方法能滿(mǎn)足電源系統增加設計要求而不犧牲可靠性。高可靠性電源轉換器是這些方案的關(guān)鍵部分,但它們需要很好選擇的總設備結構的支持。也必須注意電源系統集成。
圖1 典型的48V板電源系統,其中單隔離DC-DC轉換器(磚式)產(chǎn)生饋入到大量非隔離POL電源轉換器的5V中間總線(xiàn)電壓
板上電源系統
產(chǎn)品不再依靠簡(jiǎn)單的5V電源分布系統。當今,單個(gè)板上有6個(gè)或更多電壓不是罕見(jiàn)的。某些高端系統有高達20個(gè)或更多分離電源軌,而大多數低于2V, 在高電流時(shí),必須有效地提供這些非常低的電壓,而且必須滿(mǎn)足愈加嚴格的穩壓,紋波和瞬態(tài)性能指標。因此,現在分布電源系統通常在每塊板上用多個(gè)DC-DC 轉換器來(lái)產(chǎn)生緊靠負載的低電壓。
很多IC除需要非常低的電壓軌外,在起動(dòng)和關(guān)閉期間還需要電源軌之間的定序和跟蹤。必須控制電源軌,以使它們之間的差別不超過(guò)規定的電壓和時(shí)間限制,甚至在短瞬態(tài)條件下也能保證這樣。這些要求與需要監控所有軌的過(guò)壓(OV)和欠壓(UV)保護結合起來(lái),顯然,板電源系統已脫離簡(jiǎn)單構建的范圍。
電源系統實(shí)現
圖1示出一個(gè)板電源系統實(shí)例。在此實(shí)例中,典型產(chǎn)品(如通信系統或高端計算服務(wù)器)由48Vdc供電。DC-DC轉換器為板提供所需的電壓軌并提供 48V輸入和邏輯輸出之間所需的隔離。在此實(shí)例中,一個(gè)單隔離DC-DC轉換器(通常稱(chēng)之為磚式轉換器)產(chǎn)生5V中間總線(xiàn)電壓,提供給大量非隔離負載點(diǎn) (POL)電源轉換器。
不少制造商提供磚式和POL轉換器做為很多輸出電壓和電流組合中的標準產(chǎn)品。這些標準產(chǎn)品,可以很方便地做為板電源系統中的組成單元而起作用。從圖中可見(jiàn),往往用1個(gè)單磚式,2個(gè)或更多磚式轉換器產(chǎn)生最高電源所需的軌,而較低電源軌需用POL。電源轉換器的多種組合能滿(mǎn)足任何特殊板的專(zhuān)門(mén)要求。
為了協(xié)同DC-DC轉換器的工作,板電源系統需要一個(gè)總的管理功能。隔離的初級邊和次級邊也需要管理。電源管理功能通常包括如下部分或全部要求：
在規定的輸入電壓開(kāi)啟和關(guān)閉電源系統;
在所要求時(shí)序控制所有輸出的開(kāi)啟和關(guān)閉;
監控所有輸出的OV和UV故障;
故障發(fā)生時(shí)控制關(guān)閉;
若需要,調節輸出電壓;
告知系統控制器電源狀態(tài);
電源可靠性
從兩個(gè)不同方面來(lái)了解電源可靠性。
元件級：采用自下向上的元件級方法。其可靠性通常用平均失效時(shí)間(MTBF)或失效時(shí)間(FIT)表示。由于1FIT為109器件小時(shí)中1個(gè)失效, 所以,1000FIT為1百萬(wàn)小時(shí)MTBF。兩個(gè)最通用的判定方法是MIL-HDBK217和Telcordia TR-332。這類(lèi)判定僅考慮元件失效,而沒(méi)有考慮設計錯誤或不適當的性能指標。
系統級：系統須根據執行所需要功能的能力,采用自上而下的系統方法。這種方法可以從事于最壞情況的設計,仿真和完整系統的測試。測試必須足夠,以保證設計在所有工作條件下滿(mǎn)足所有所需求的功能,此過(guò)程稱(chēng)之為限制條件。必須遵從良好的設計策略。測試不可能唯一保證所有條件下正確的性能。最重要的是設計中要考慮上述兩個(gè)方面的問(wèn)題。
改進(jìn)系統的可靠性能
大多數電源可靠性問(wèn)題是由系統級可靠性(元件應用和系統限制條件)引起的,而不是由元件的基本MTBF引起。這包括：
板上產(chǎn)品消耗的峰值電流高于所希望值,導致極端條件下電壓降低。
在現場(chǎng),噪擾釋放引起電源系統不希望地關(guān)機。
在用戶(hù)現場(chǎng),板失效,但當修理恢復后無(wú)失效發(fā)現(NFF)
軌間定序依賴(lài)于元件容差并不總是滿(mǎn)足IC的要求。
在設計時(shí)沒(méi)有考慮關(guān)機期間的定序。
在輸入電壓和溫度極值條件下,電源系統不能提供滿(mǎn)載。
當把板安裝在設備中時(shí),由于氣流受限制而導致電源模塊過(guò)熱。
表1給出電源系統問(wèn)題和解決方案。
很顯然,好的電源系統設計是一個(gè)復雜的、多方面的課題,這涉及整個(gè)產(chǎn)品和它的環(huán)境。不能低估任務(wù)的復雜性。此外,盡管開(kāi)始焦點(diǎn)是集中在有效的電源轉換,但是,請記住電源管理功能在實(shí)現良好電源系統性能方面是同等重要的。
改善MTBF
下面的3個(gè)基本方法可以改善任何系統的MTBF：用較少的元件,使元件更可靠,即使元件失效也產(chǎn)生系統功能。每個(gè)方法與全面的限定條件測試一起對于改善電源系統可靠性能起一定的作用。
較少元件
往往可以減少電源管理系統中的元件數。
一個(gè)專(zhuān)用電源管理IC可替代用于監控和控制的大量分立元件(比較器,運放,光電耦合器,RC時(shí)間延遲)。同時(shí),電源管理IC的性能遠遠好于分立方案,靠精確的告知容限性能和避免噪擾釋放來(lái)改善系統可靠性。
一個(gè)典型的POL所含的內部元件比隔離磚式轉換器要少,而失效率低很多。對于一個(gè)典型的POL,廠(chǎng)家標定的失效率大約為5百萬(wàn)小時(shí)MTBF,而典型的磚式轉換器是2百萬(wàn)小時(shí)MTBF。另外,通常POL輸出功率比磚式轉換器低,所以,可以用更多的POL來(lái)滿(mǎn)足總功率要求。當然,可靠性?xún)H是選擇電源轉換器時(shí)很多因素之一。在設計中,較早的考慮可靠性,可能使應用有最好的折衷考慮。
更可靠的元件
元件可靠性主要受到制造中的條件限定和質(zhì)量控制過(guò)程以及應用中著(zhù)重點(diǎn)的影響,用模塊方法,采用門(mén)陣列或微控制器的電源管理設計,需要在額定工作和失效條件下的大范圍測試。這是保證編程中的邏輯不會(huì )導致不正確的行為。顯然,專(zhuān)用功率管理器件的性能已由制造商完全測試和證明合格。
失效容限
為了顯著(zhù)地改善系統可靠性,所設計的系統是具有失效容限。在理想情況下,一個(gè)有效的備用元件在任何元件失效時(shí),能立即取代,使系統性能不受影響。在實(shí)際系統中,對所達到的備份度是有限制的,而利用率不可能達到100%。通過(guò)仔細地設計,備份可能提供任何單個(gè)失效的完全保護,可以達到99.999%有效性或更好。
大部分的備份系統靠備份整個(gè)板實(shí)現備份。例如,在一個(gè)機架上可以用兩個(gè)相同的控制處理器板,若一個(gè)失效,則另一個(gè)可取代進(jìn)行控制。48V分布系統也是備份系統,來(lái)自單獨電路斷路器的雙48V饋送到每個(gè)板。若任何個(gè)別電路斷路器釋放,則板通過(guò)第2個(gè)饋送仍然接收不間斷的電源。大多數情況下,不用考慮對板上電源系統本身的備份有利,這是由于任何板失效(電源或其他方面)意味著(zhù)簡(jiǎn)單的替換板。
對于有效的備份,在備份失效前應立即告知所有元件的失效是板,這是重要的。電源系統中,這意味著(zhù)不僅僅全面監控所有輸出電壓軌,而且也要監控保險絲和電源饋入來(lái)監測備份失效。另外的監控,如輸入電流測量和熱感測可以提供過(guò)載條件的報警,并進(jìn)一步改善可靠性。
雖然當今電源系統變得更復雜,但高可靠性是可實(shí)現的。使元件數量最少可改善失效率并產(chǎn)生適當的MTBF。用有效的電源管理也可以改善總設備可靠性。注意,可靠性比合理的MTBF更重要。通過(guò)進(jìn)行電源系統限定測試來(lái)保證在所有條件下都能滿(mǎn)足設備要求。
有幾種方法能滿(mǎn)足電源系統增加設計要求而不犧牲可靠性。高可靠性電源轉換器是這些方案的關(guān)鍵部分,但它們需要很好選擇的總設備結構的支持。也必須注意電源系統集成。
圖1 典型的48V板電源系統,其中單隔離DC-DC轉換器(磚式)產(chǎn)生饋入到大量非隔離POL電源轉換器的5V中間總線(xiàn)電壓
板上電源系統
產(chǎn)品不再依靠簡(jiǎn)單的5V電源分布系統。當今,單個(gè)板上有6個(gè)或更多電壓不是罕見(jiàn)的。某些高端系統有高達20個(gè)或更多分離電源軌,而大多數低于2V, 在高電流時(shí),必須有效地提供這些非常低的電壓,而且必須滿(mǎn)足愈加嚴格的穩壓,紋波和瞬態(tài)性能指標。因此,現在分布電源系統通常在每塊板上用多個(gè)DC-DC 轉換器來(lái)產(chǎn)生緊靠負載的低電壓。
很多IC除需要非常低的電壓軌外,在起動(dòng)和關(guān)閉期間還需要電源軌之間的定序和跟蹤。必須控制電源軌,以使它們之間的差別不超過(guò)規定的電壓和時(shí)間限制,甚至在短瞬態(tài)條件下也能保證這樣。這些要求與需要監控所有軌的過(guò)壓(OV)和欠壓(UV)保護結合起來(lái),顯然,板電源系統已脫離簡(jiǎn)單構建的范圍。
電源系統實(shí)現
圖1示出一個(gè)板電源系統實(shí)例。在此實(shí)例中,典型產(chǎn)品(如通信系統或高端計算服務(wù)器)由48Vdc供電。DC-DC轉換器為板提供所需的電壓軌并提供 48V輸入和邏輯輸出之間所需的隔離。在此實(shí)例中,一個(gè)單隔離DC-DC轉換器(通常稱(chēng)之為磚式轉換器)產(chǎn)生5V中間總線(xiàn)電壓,提供給大量非隔離負載點(diǎn) (POL)電源轉換器。
不少制造商提供磚式和POL轉換器做為很多輸出電壓和電流組合中的標準產(chǎn)品。這些標準產(chǎn)品,可以很方便地做為板電源系統中的組成單元而起作用。從圖中可見(jiàn),往往用1個(gè)單磚式,2個(gè)或更多磚式轉換器產(chǎn)生最高電源所需的軌,而較低電源軌需用POL。電源轉換器的多種組合能滿(mǎn)足任何特殊板的專(zhuān)門(mén)要求。
為了協(xié)同DC-DC轉換器的工作,板電源系統需要一個(gè)總的管理功能。隔離的初級邊和次級邊也需要管理。電源管理功能通常包括如下部分或全部要求：
在規定的輸入電壓開(kāi)啟和關(guān)閉電源系統;
在所要求時(shí)序控制所有輸出的開(kāi)啟和關(guān)閉;
監控所有輸出的OV和UV故障;
故障發(fā)生時(shí)控制關(guān)閉;
若需要,調節輸出電壓;
告知系統控制器電源狀態(tài);
電源可靠性
從兩個(gè)不同方面來(lái)了解電源可靠性。
元件級：采用自下向上的元件級方法。其可靠性通常用平均失效時(shí)間(MTBF)或失效時(shí)間(FIT)表示。由于1FIT為109器件小時(shí)中1個(gè)失效, 所以,1000FIT為1百萬(wàn)小時(shí)MTBF。兩個(gè)最通用的判定方法是MIL-HDBK217和Telcordia TR-332。這類(lèi)判定僅考慮元件失效,而沒(méi)有考慮設計錯誤或不適當的性能指標。
系統級：系統須根據執行所需要功能的能力,采用自上而下的系統方法。這種方法可以從事于最壞情況的設計,仿真和完整系統的測試。測試必須足夠,以保證設計在所有工作條件下滿(mǎn)足所有所需求的功能,此過(guò)程稱(chēng)之為限制條件。必須遵從良好的設計策略。測試不可能唯一保證所有條件下正確的性能。最重要的是設計中要考慮上述兩個(gè)方面的問(wèn)題。
改進(jìn)系統的可靠性能
大多數電源可靠性問(wèn)題是由系統級可靠性(元件應用和系統限制條件)引起的,而不是由元件的基本MTBF引起。這包括：
板上產(chǎn)品消耗的峰值電流高于所希望值,導致極端條件下電壓降低。
在現場(chǎng),噪擾釋放引起電源系統不希望地關(guān)機。
在用戶(hù)現場(chǎng),板失效,但當修理恢復后無(wú)失效發(fā)現(NFF)
軌間定序依賴(lài)于元件容差并不總是滿(mǎn)足IC的要求。
在設計時(shí)沒(méi)有考慮關(guān)機期間的定序。
在輸入電壓和溫度極值條件下,電源系統不能提供滿(mǎn)載。
當把板安裝在設備中時(shí),由于氣流受限制而導致電源模塊過(guò)熱。
表1給出電源系統問(wèn)題和解決方案。
很顯然,好的電源系統設計是一個(gè)復雜的、多方面的課題,這涉及整個(gè)產(chǎn)品和它的環(huán)境。不能低估任務(wù)的復雜性。此外,盡管開(kāi)始焦點(diǎn)是集中在有效的電源轉換,但是,請記住電源管理功能在實(shí)現良好電源系統性能方面是同等重要的。
改善MTBF
下面的3個(gè)基本方法可以改善任何系統的MTBF：用較少的元件,使元件更可靠,即使元件失效也產(chǎn)生系統功能。每個(gè)方法與全面的限定條件測試一起對于改善電源系統可靠性能起一定的作用。
較少元件
往往可以減少電源管理系統中的元件數。
一個(gè)專(zhuān)用電源管理IC可替代用于監控和控制的大量分立元件(比較器,運放,光電耦合器,RC時(shí)間延遲)。同時(shí),電源管理IC的性能遠遠好于分立方案,靠精確的告知容限性能和避免噪擾釋放來(lái)改善系統可靠性。
一個(gè)典型的POL所含的內部元件比隔離磚式轉換器要少,而失效率低很多。對于一個(gè)典型的POL,廠(chǎng)家標定的失效率大約為5百萬(wàn)小時(shí)MTBF,而典型的磚式轉換器是2百萬(wàn)小時(shí)MTBF。另外,通常POL輸出功率比磚式轉換器低,所以,可以用更多的POL來(lái)滿(mǎn)足總功率要求。當然,可靠性?xún)H是選擇電源轉換器時(shí)很多因素之一。在設計中,較早的考慮可靠性,可能使應用有最好的折衷考慮。
更可靠的元件
元件可靠性主要受到制造中的條件限定和質(zhì)量控制過(guò)程以及應用中著(zhù)重點(diǎn)的影響,用模塊方法,采用門(mén)陣列或微控制器的電源管理設計,需要在額定工作和失效條件下的大范圍測試。這是保證編程中的邏輯不會(huì )導致不正確的行為。顯然,專(zhuān)用功率管理器件的性能已由制造商完全測試和證明合格。
失效容限
為了顯著(zhù)地改善系統可靠性,所設計的系統是具有失效容限。在理想情況下,一個(gè)有效的備用元件在任何元件失效時(shí),能立即取代,使系統性能不受影響。在實(shí)際系統中,對所達到的備份度是有限制的,而利用率不可能達到100%。通過(guò)仔細地設計,備份可能提供任何單個(gè)失效的完全保護,可以達到99.999%有效性或更好。
大部分的備份系統靠備份整個(gè)板實(shí)現備份。例如,在一個(gè)機架上可以用兩個(gè)相同的控制處理器板,若一個(gè)失效,則另一個(gè)可取代進(jìn)行控制。48V分布系統也是備份系統,來(lái)自單獨電路斷路器的雙48V饋送到每個(gè)板。若任何個(gè)別電路斷路器釋放,則板通過(guò)第2個(gè)饋送仍然接收不間斷的電源。大多數情況下,不用考慮對板上電源系統本身的備份有利,這是由于任何板失效(電源或其他方面)意味著(zhù)簡(jiǎn)單的替換板。
對于有效的備份,在備份失效前應立即告知所有元件的失效是板,這是重要的。電源系統中,這意味著(zhù)不僅僅全面監控所有輸出電壓軌,而且也要監控保險絲和電源饋入來(lái)監測備份失效。另外的監控,如輸入電流測量和熱感測可以提供過(guò)載條件的報警,并進(jìn)一步改善可靠性。
雖然當今電源系統變得更復雜,但高可靠性是可實(shí)現的。使元件數量最少可改善失效率并產(chǎn)生適當的MTBF。用有效的電源管理也可以改善總設備可靠性。注意,可靠性比合理的MTBF更重要。通過(guò)進(jìn)行電源系統限定測試來(lái)保證在所有條件下都能滿(mǎn)足設備要求。
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