改善板電源系統(tǒng)可靠性
最近幾年,典型設(shè)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(fù)雜。同時,為了降低設(shè)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(shè)計要求而不犧牲可靠性。高可靠性電源轉(zhuǎn)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器(磚式)產(chǎn)生饋入到大量非隔離POL電源轉(zhuǎn)換器的5V中間總線電壓
板上電源系統(tǒng)
產(chǎn)品不再依靠簡單的5V電源分布系統(tǒng)。當(dāng)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(dá)20個或更多分離電源軌,而大多數(shù)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(yán)格的穩(wěn)壓,紋波和瞬態(tài)性能指標(biāo)。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(zhuǎn)換器來產(chǎn)生緊靠負(fù)載的低電壓。
很多IC除需要非常低的電壓軌外,在起動和關(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(hù)結(jié)合起來,顯然,板電源系統(tǒng)已脫離簡單構(gòu)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(chǎn)品(如通信系統(tǒng)或高端計算服務(wù)器)由48Vdc供電。DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器(通常稱之為磚式轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生5V中間總線電壓,提供給大量非隔離負(fù)載點 (POL)電源轉(zhuǎn)換器。
不少制造商提供磚式和POL轉(zhuǎn)換器做為很多輸出電壓和電流組合中的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。這些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)閉電源系統(tǒng);
在所要求時序控制所有輸出的開啟和關(guān)閉;
監(jiān)控所有輸出的OV和UV故障;
故障發(fā)生時控制關(guān)閉;
若需要,調(diào)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(shè)計錯誤或不適當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)。
系統(tǒng)級：系統(tǒng)須根據(jù)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(shè)計,仿真和完整系統(tǒng)的測試。測試必須足夠,以保證設(shè)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(shè)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(shè)計中要考慮上述兩個方面的問題。
改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性能
大多數(shù)電源可靠性問題是由系統(tǒng)級可靠性(元件應(yīng)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(chǎn)品消耗的峰值電流高于所希望值,導(dǎo)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(guān)機(jī)。
在用戶現(xiàn)場,板失效,但當(dāng)修理恢復(fù)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(shè)計時沒有考慮關(guān)機(jī)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(dāng)把板安裝在設(shè)備中時,由于氣流受限制而導(dǎo)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(shè)計是一個復(fù)雜的、多方面的課題,這涉及整個產(chǎn)品和它的環(huán)境。不能低估任務(wù)的復(fù)雜性。此外,盡管開始焦點是集中在有效的電源轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)。
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(yùn)放,光電耦合器,RC時間延遲)。同時,電源管理IC的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)部元件比隔離磚式轉(zhuǎn)換器要少,而失效率低很多。對于一個典型的POL,廠家標(biāo)定的失效率大約為5百萬小時MTBF,而典型的磚式轉(zhuǎn)換器是2百萬小時MTBF。另外,通常POL輸出功率比磚式轉(zhuǎn)換器低,所以,可以用更多的POL來滿足總功率要求。當(dāng)然,可靠性僅是選擇電源轉(zhuǎn)換器時很多因素之一。在設(shè)計中,較早的考慮可靠性,可能使應(yīng)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)量控制過程以及應(yīng)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(dá)到的備份度是有限制的,而利用率不可能達(dá)到100%。通過仔細(xì)地設(shè)計,備份可能提供任何單個失效的完全保護(hù),可以達(dá)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(jī)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(jìn)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(shù)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(yīng)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(jìn)一步改善可靠性。
雖然當(dāng)今電源系統(tǒng)變得更復(fù)雜,但高可靠性是可實現(xiàn)的。使元件數(shù)量最少可改善失效率并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腗TBF。用有效的電源管理也可以改善總設(shè)備可靠性。注意,可靠性比合理的MTBF更重要。通過進(jìn)行電源系統(tǒng)限定測試來保證在所有條件下都能滿足設(shè)備要求。
有幾種方法能滿足電源系統(tǒng)增加設(shè)計要求而不犧牲可靠性。高可靠性電源轉(zhuǎn)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器(磚式)產(chǎn)生饋入到大量非隔離POL電源轉(zhuǎn)換器的5V中間總線電壓
板上電源系統(tǒng)
產(chǎn)品不再依靠簡單的5V電源分布系統(tǒng)。當(dāng)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(dá)20個或更多分離電源軌,而大多數(shù)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(yán)格的穩(wěn)壓,紋波和瞬態(tài)性能指標(biāo)。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(zhuǎn)換器來產(chǎn)生緊靠負(fù)載的低電壓。
很多IC除需要非常低的電壓軌外,在起動和關(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(hù)結(jié)合起來,顯然,板電源系統(tǒng)已脫離簡單構(gòu)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(chǎn)品(如通信系統(tǒng)或高端計算服務(wù)器)由48Vdc供電。DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器(通常稱之為磚式轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生5V中間總線電壓,提供給大量非隔離負(fù)載點 (POL)電源轉(zhuǎn)換器。
不少制造商提供磚式和POL轉(zhuǎn)換器做為很多輸出電壓和電流組合中的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。這些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)閉電源系統(tǒng);
在所要求時序控制所有輸出的開啟和關(guān)閉;
監(jiān)控所有輸出的OV和UV故障;
故障發(fā)生時控制關(guān)閉;
若需要,調(diào)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(shè)計錯誤或不適當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)。
系統(tǒng)級：系統(tǒng)須根據(jù)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(shè)計,仿真和完整系統(tǒng)的測試。測試必須足夠,以保證設(shè)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(shè)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(shè)計中要考慮上述兩個方面的問題。
改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性能
大多數(shù)電源可靠性問題是由系統(tǒng)級可靠性(元件應(yīng)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(chǎn)品消耗的峰值電流高于所希望值,導(dǎo)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(guān)機(jī)。
在用戶現(xiàn)場,板失效,但當(dāng)修理恢復(fù)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(shè)計時沒有考慮關(guān)機(jī)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(dāng)把板安裝在設(shè)備中時,由于氣流受限制而導(dǎo)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(shè)計是一個復(fù)雜的、多方面的課題,這涉及整個產(chǎn)品和它的環(huán)境。不能低估任務(wù)的復(fù)雜性。此外,盡管開始焦點是集中在有效的電源轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)。
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(yùn)放,光電耦合器,RC時間延遲)。同時,電源管理IC的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)部元件比隔離磚式轉(zhuǎn)換器要少,而失效率低很多。對于一個典型的POL,廠家標(biāo)定的失效率大約為5百萬小時MTBF,而典型的磚式轉(zhuǎn)換器是2百萬小時MTBF。另外,通常POL輸出功率比磚式轉(zhuǎn)換器低,所以,可以用更多的POL來滿足總功率要求。當(dāng)然,可靠性僅是選擇電源轉(zhuǎn)換器時很多因素之一。在設(shè)計中,較早的考慮可靠性,可能使應(yīng)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)量控制過程以及應(yīng)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(dá)到的備份度是有限制的,而利用率不可能達(dá)到100%。通過仔細(xì)地設(shè)計,備份可能提供任何單個失效的完全保護(hù),可以達(dá)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(jī)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(jìn)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(shù)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(yīng)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(jìn)一步改善可靠性。
雖然當(dāng)今電源系統(tǒng)變得更復(fù)雜,但高可靠性是可實現(xiàn)的。使元件數(shù)量最少可改善失效率并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腗TBF。用有效的電源管理也可以改善總設(shè)備可靠性。注意,可靠性比合理的MTBF更重要。通過進(jìn)行電源系統(tǒng)限定測試來保證在所有條件下都能滿足設(shè)備要求。
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