改善板電源系統(tǒng)可靠性
最近幾年,典型設備板上的電壓顯著地降低,很多情況下降到1V或更低,而總的板功率繼續(xù)急增。增加的不同軌電壓也使電源系統(tǒng)中軌之間定序和跟蹤變復雜。同時,為了降低設備發(fā)生故障時間,對可靠性和可用性的要求不斷增加。
有幾種方法能滿足電源系統(tǒng)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(tǒng)集成。
圖1 典型的48V板電源系統(tǒng),其中單隔離DC-DC轉換器(磚式)產生饋入到大量非隔離POL電源轉換器的5V中間總線電壓
板上電源系統(tǒng)
產品不再依靠簡單的5V電源分布系統(tǒng)。當今,單個板上有6個或更多電壓不是罕見的。某些高端系統(tǒng)有高達20個或更多分離電源軌,而大多數低于2V, 在高電流時,必須有效地提供這些非常低的電壓,而且必須滿足愈加嚴格的穩(wěn)壓,紋波和瞬態(tài)性能指標。因此,現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)通常在每塊板上用多個DC-DC 轉換器來產生緊靠負載的低電壓。
很多IC除需要非常低的電壓軌外,在起動和關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規(guī)定的電壓和時間限制,甚至在短瞬態(tài)條件下也能保證這樣。這些要求與需要監(jiān)控所有軌的過壓(OV)和欠壓(UV)保護結合起來,顯然,板電源系統(tǒng)已脫離簡單構建的范圍。
電源系統(tǒng)實現(xiàn)
圖1示出一個板電源系統(tǒng)實例。在此實例中,典型產品(如通信系統(tǒng)或高端計算服務器)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。在此實例中,一個單隔離DC-DC轉換器(通常稱之為磚式轉換器)產生5V中間總線電壓,提供給大量非隔離負載點 (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品。這些標準產品,可以很方便地做為板電源系統(tǒng)中的組成單元而起作用。從圖中可見,往往用1個單磚式,2個或更多磚式轉換器產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足任何特殊板的專門要求。
為了協(xié)同DC-DC轉換器的工作,板電源系統(tǒng)需要一個總的管理功能。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(guī)定的輸入電壓開啟和關閉電源系統(tǒng);
在所要求時序控制所有輸出的開啟和關閉;
監(jiān)控所有輸出的OV和UV故障;
故障發(fā)生時控制關閉;
若需要,調節(jié)輸出電壓;
告知系統(tǒng)控制器電源狀態(tài);
電源可靠性
從兩個不同方面來了解電源可靠性。
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間(MTBF)或失效時間(FIT)表示。由于1FIT為109器件小時中1個失效, 所以,1000FIT為1百萬小時MTBF。兩個最通用的判定方法是MIL-HDBK217和Telcordia TR-332。這類判定僅考慮元件失效,而沒有考慮設計錯誤或不適當的性能指標。
系統(tǒng)級：系統(tǒng)須根據執(zhí)行所需要功能的能力,采用自上而下的系統(tǒng)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(tǒng)的測試。測試必須足夠,以保證設計在所有工作條件下滿足所有所需求的功能,此過程稱之為限制條件。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方面的問題。
改進系統(tǒng)的可靠性能
大多數電源可靠性問題是由系統(tǒng)級可靠性(元件應用和系統(tǒng)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(xiàn)場,噪擾釋放引起電源系統(tǒng)不希望地關機。
在用戶現(xiàn)場,板失效,但當修理恢復后無失效發(fā)現(xiàn)(NFF)
軌間定序依賴于元件容差并不總是滿足IC的要求。
在設計時沒有考慮關機期間的定序。
在輸入電壓和溫度極值條件下,電源系統(tǒng)不能提供滿載。
當把板安裝在設備中時,由于氣流受限制而導致電源模塊過熱。
表1給出電源系統(tǒng)問題和解決方案。
很顯然,好的電源系統(tǒng)設計是一個復雜的、多方面的課題,這涉及整個產品和它的環(huán)境。不能低估任務的復雜性。此外,盡管開始焦點是集中在有效的電源轉換,但是,請記住電源管理功能在實現(xiàn)良好電源系統(tǒng)性能方面是同等重要的。
改善MTBF
下面的3個基本方法可以改善任何系統(tǒng)的MTBF：用較少的元件,使元件更可靠,即使元件失效也產生系統(tǒng)功能。每個方法與全面的限定條件測試一起對于改善電源系統(tǒng)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(tǒng)中的元件數。
一個專用電源管理IC可替代用于監(jiān)控和控制的大量分立元件(比較器,運放,光電耦合器,RC時間延遲)。同時,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改善系統(tǒng)可靠性。
一個典型的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。對于一個典型的POL,廠家標定的失效率大約為5百萬小時MTBF,而典型的磚式轉換器是2百萬小時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來滿足總功率要求。當然,可靠性僅是選擇電源轉換器時很多因素之一。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量控制過程以及應用中著重點的影響,用模塊方法,采用門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導致不正確的行為。顯然,專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
為了顯著地改善系統(tǒng)可靠性,所設計的系統(tǒng)是具有失效容限。在理想情況下,一個有效的備用元件在任何元件失效時,能立即取代,使系統(tǒng)性能不受影響。在實際系統(tǒng)中,對所達到的備份度是有限制的,而利用率不可能達到100%。通過仔細地設計,備份可能提供任何單個失效的完全保護,可以達到99.999%有效性或更好。
大部分的備份系統(tǒng)靠備份整個板實現(xiàn)備份。例如,在一個機架上可以用兩個相同的控制處理器板,若一個失效,則另一個可取代進行控制。48V分布系統(tǒng)也是備份系統(tǒng),來自單獨電路斷路器的雙48V饋送到每個板。若任何個別電路斷路器釋放,則板通過第2個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(tǒng)本身的備份有利,這是由于任何板失效(電源或其他方面)意味著簡單的替換板。
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(tǒng)中,這意味著不僅僅全面監(jiān)控所有輸出電壓軌,而且也要監(jiān)控保險絲和電源饋入來監(jiān)測備份失效。另外的監(jiān)控,如輸入電流測量和熱感測可以提供過載條件的報警,并進一步改善可靠性。
雖然當今電源系統(tǒng)變得更復雜,但高可靠性是可實現(xiàn)的。使元件數量最少可改善失效率并產生適當的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。通過進行電源系統(tǒng)限定測試來保證在所有條件下都能滿足設備要求。
有幾種方法能滿足電源系統(tǒng)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(tǒng)集成。
圖1 典型的48V板電源系統(tǒng),其中單隔離DC-DC轉換器(磚式)產生饋入到大量非隔離POL電源轉換器的5V中間總線電壓
板上電源系統(tǒng)
產品不再依靠簡單的5V電源分布系統(tǒng)。當今,單個板上有6個或更多電壓不是罕見的。某些高端系統(tǒng)有高達20個或更多分離電源軌,而大多數低于2V, 在高電流時,必須有效地提供這些非常低的電壓,而且必須滿足愈加嚴格的穩(wěn)壓,紋波和瞬態(tài)性能指標。因此,現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)通常在每塊板上用多個DC-DC 轉換器來產生緊靠負載的低電壓。
很多IC除需要非常低的電壓軌外,在起動和關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規(guī)定的電壓和時間限制,甚至在短瞬態(tài)條件下也能保證這樣。這些要求與需要監(jiān)控所有軌的過壓(OV)和欠壓(UV)保護結合起來,顯然,板電源系統(tǒng)已脫離簡單構建的范圍。
電源系統(tǒng)實現(xiàn)
圖1示出一個板電源系統(tǒng)實例。在此實例中,典型產品(如通信系統(tǒng)或高端計算服務器)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。在此實例中,一個單隔離DC-DC轉換器(通常稱之為磚式轉換器)產生5V中間總線電壓,提供給大量非隔離負載點 (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品。這些標準產品,可以很方便地做為板電源系統(tǒng)中的組成單元而起作用。從圖中可見,往往用1個單磚式,2個或更多磚式轉換器產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足任何特殊板的專門要求。
為了協(xié)同DC-DC轉換器的工作,板電源系統(tǒng)需要一個總的管理功能。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(guī)定的輸入電壓開啟和關閉電源系統(tǒng);
在所要求時序控制所有輸出的開啟和關閉;
監(jiān)控所有輸出的OV和UV故障;
故障發(fā)生時控制關閉;
若需要,調節(jié)輸出電壓;
告知系統(tǒng)控制器電源狀態(tài);
電源可靠性
從兩個不同方面來了解電源可靠性。
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間(MTBF)或失效時間(FIT)表示。由于1FIT為109器件小時中1個失效, 所以,1000FIT為1百萬小時MTBF。兩個最通用的判定方法是MIL-HDBK217和Telcordia TR-332。這類判定僅考慮元件失效,而沒有考慮設計錯誤或不適當的性能指標。
系統(tǒng)級：系統(tǒng)須根據執(zhí)行所需要功能的能力,采用自上而下的系統(tǒng)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(tǒng)的測試。測試必須足夠,以保證設計在所有工作條件下滿足所有所需求的功能,此過程稱之為限制條件。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方面的問題。
改進系統(tǒng)的可靠性能
大多數電源可靠性問題是由系統(tǒng)級可靠性(元件應用和系統(tǒng)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(xiàn)場,噪擾釋放引起電源系統(tǒng)不希望地關機。
在用戶現(xiàn)場,板失效,但當修理恢復后無失效發(fā)現(xiàn)(NFF)
軌間定序依賴于元件容差并不總是滿足IC的要求。
在設計時沒有考慮關機期間的定序。
在輸入電壓和溫度極值條件下,電源系統(tǒng)不能提供滿載。
當把板安裝在設備中時,由于氣流受限制而導致電源模塊過熱。
表1給出電源系統(tǒng)問題和解決方案。
很顯然,好的電源系統(tǒng)設計是一個復雜的、多方面的課題,這涉及整個產品和它的環(huán)境。不能低估任務的復雜性。此外,盡管開始焦點是集中在有效的電源轉換,但是,請記住電源管理功能在實現(xiàn)良好電源系統(tǒng)性能方面是同等重要的。
改善MTBF
下面的3個基本方法可以改善任何系統(tǒng)的MTBF：用較少的元件,使元件更可靠,即使元件失效也產生系統(tǒng)功能。每個方法與全面的限定條件測試一起對于改善電源系統(tǒng)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(tǒng)中的元件數。
一個專用電源管理IC可替代用于監(jiān)控和控制的大量分立元件(比較器,運放,光電耦合器,RC時間延遲)。同時,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改善系統(tǒng)可靠性。
一個典型的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。對于一個典型的POL,廠家標定的失效率大約為5百萬小時MTBF,而典型的磚式轉換器是2百萬小時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來滿足總功率要求。當然,可靠性僅是選擇電源轉換器時很多因素之一。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量控制過程以及應用中著重點的影響,用模塊方法,采用門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導致不正確的行為。顯然,專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
為了顯著地改善系統(tǒng)可靠性,所設計的系統(tǒng)是具有失效容限。在理想情況下,一個有效的備用元件在任何元件失效時,能立即取代,使系統(tǒng)性能不受影響。在實際系統(tǒng)中,對所達到的備份度是有限制的,而利用率不可能達到100%。通過仔細地設計,備份可能提供任何單個失效的完全保護,可以達到99.999%有效性或更好。
大部分的備份系統(tǒng)靠備份整個板實現(xiàn)備份。例如,在一個機架上可以用兩個相同的控制處理器板,若一個失效,則另一個可取代進行控制。48V分布系統(tǒng)也是備份系統(tǒng),來自單獨電路斷路器的雙48V饋送到每個板。若任何個別電路斷路器釋放,則板通過第2個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(tǒng)本身的備份有利,這是由于任何板失效(電源或其他方面)意味著簡單的替換板。
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(tǒng)中,這意味著不僅僅全面監(jiān)控所有輸出電壓軌,而且也要監(jiān)控保險絲和電源饋入來監(jiān)測備份失效。另外的監(jiān)控,如輸入電流測量和熱感測可以提供過載條件的報警,并進一步改善可靠性。
雖然當今電源系統(tǒng)變得更復雜,但高可靠性是可實現(xiàn)的。使元件數量最少可改善失效率并產生適當的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。通過進行電源系統(tǒng)限定測試來保證在所有條件下都能滿足設備要求。
| 【上一個】 降壓型開關電源的電感的正確選擇 | 【下一個】 淺析全球通信電源技術發(fā)展 呈現(xiàn)出幾大趨勢 |
| ^ 改善板電源系統(tǒng)可靠性 |