改善板电源系统可靠性

最近几年,典型设备板上的电压显著地降低,很多情况下降到1V或更低,而总的板功率继续急增。增加的不同轨电压也使电源系统中轨之间定序和跟踪变复杂。同时,为了降低设备发生故障时间,对可靠性和可用性的要求不断增加。

有几种方法能满足电源系统增加设计要求而不牺牲可靠性。高可靠性电源转换器是这些方案的关键部分,但它们需要很好选择的总设备结构的支持。也必须注意电源系统集成。

图1 典型的48V板电源系统,其中单隔离DC-DC转换器(砖式)产生馈入到大量非隔离POL电源转换器的5V中间总线电压

板上电源系统

产品不再依靠简单的5V电源分布系统。当今,单个板上有6个或更多电压不是罕见的。某些高端系统有高达20个或更多分离电源轨,而大多数低于2V,在高电流时,必须有效地提供这些非常低的电压,而且必须满足愈加严格的稳压,纹波和瞬态性能指标。因此,现在分布电源系统通常在每块板上用多个DC-DC转换器来产生紧靠负载的低电压。

很多IC除需要非常低的电压轨外,在起动和关闭期间还需要电源轨之间的定序和跟踪。必须控制电源轨,以使它们之间的差别不超过规定的电压和时间限制,甚至在短瞬态条件下也能保证这样。这些要求与需要监控所有轨的过压(OV)和欠压(UV)保护结合起来,显然,板电源系统已脱离简单构建的范围。

电源系统实现

图1示出一个板电源系统实例。在此实例中,典型产品(如通信系统或高端计算服务器)由48Vdc供电。DC-DC转换器为板提供所需的电压轨并提供48V输入和逻辑输出之间所需的隔离。在此实例中,一个单隔离DC-DC转换器(通常称之为砖式转换器)产生5V中间总线电压,提供给大量非隔离负载点(POL)电源转换器。

不少制造商提供砖式和POL转换器做为很多输出电压和电流组合中的标准产品。这些标准产品,可以很方便地做为板电源系统中的组成单元而起作用。从图中可见,往往用1个单砖式,2个或更多砖式转换器产生最高电源所需的轨,而较低电源轨需用POL。电源转换器的多种组合能满足任何特殊板的专门要求。

为了协同DC-DC转换器的工作,板电源系统需要一个总的管理功能。隔离的初级边和次级边也需要管理。电源管理功能通常包括如下部分或全部要求：

在规定的输入电压开启和关闭电源系统;

在所要求时序控制所有输出的开启和关闭;

监控所有输出的OV和UV故障;

故障发生时控制关闭;

若需要,调节输出电压;

告知系统控制器电源状态;

电源可靠性

从两个不同方面来了解电源可靠性。

元件级：采用自下向上的元件级方法。其可靠性通常用平均失效时间(MTBF)或失效时间(FIT)表示。由于1FIT为109器件小时中1个失效,所以,1000FIT为1百万小时MTBF。两个最通用的判定方法是MIL-HDBK217和Telcordia TR-332。这类判定仅考虑元件失效,而没有考虑设计错误或不适当的性能指标。

系统级：系统须根据执行所需要功能的能力,采用自上而下的系统方法。这种方法可以从事于最坏情况的设计,仿真和完整系统的测试。测试必须足够,以保证设计在所有工作条件下满足所有所需求的功能,此过程称之为限制条件。必须遵从良好的设计策略。测试不可能唯一保证所有条件下正确的性能。最重要的是设计中要考虑上述两个方面的问题。

改进系统的可靠性能

大多数电源可靠性问题是由系统级可靠性(元件应用和系统限制条件)引起的,而不是由元件的基本MTBF引起。这包括：

板上产品消耗的峰值电流高于所希望值,导致极端条件下电压降低。

在现场,噪扰释放引起电源系统不希望地关机。

在用户现场,板失效,但当修理恢复后无失效发现(NFF)

轨间定序依赖于元件容差并不总是满足IC的要求。

在设计时没有考虑关机期间的定序。

在输入电压和温度极值条件下,电源系统不能提供满载。

当把板安装在设备中时,由于气流受限制而导致电源模块过热。

表1给出电源系统问题和解决方案。

很显然,好的电源系统设计是一个复杂的、多方面的课题,这涉及整个产品和它的环境。不能低估任务的复杂性。此外,尽管开始焦点是集中在有效的电源转换,但是,请记住电源管理功能在实现良好电源系统性能方面是同等重要的。

改善MTBF

下面的3个基本方法可以改善任何系统的MTBF：用较少的元件,使元件更可靠,即使元件失效也产生系统功能。每个方法与全面的限定条件测试一起对于改善电源系统可靠性能起一定的作用。

较少元件

往往可以减少电源管理系统中的元件数。

一个专用电源管理IC可替代用于监控和控制的大量分立元件(比较器,运放,光电耦合器,RC时间延迟)。同时,电源管理IC的性能远远好于分立方案,靠精确的告知容限性能和避免噪扰释放来改善系统可靠性。

一个典型的POL所含的内部元件比隔离砖式转换器要少,而失效率低很多。对于一个典型的POL,厂家标定的失效率大约为5百万小时MTBF,而典型的砖式转换器是2百万小时MTBF。另外,通常POL输出功率比砖式转换器低,所以,可以用更多的POL来满足总功率要求。当然,可靠性仅是选择电源转换器时很多因素之一。在设计中,较早的考虑可靠性,可能使应用有最好的折衷考虑。

更可靠的元件

元件可靠性主要受到制造中的条件限定和质量控制过程以及应用中着重点的影响,用模块方法,采用门阵列或微控制器的电源管理设计,需要在额定工作和失效条件下的大范围测试。这是保证编程中的逻辑不会导致不正确的行为。显然,专用功率管理器件的性能已由制造商完全测试和证明合格。

失效容限

为了显著地改善系统可靠性,所设计的系统是具有失效容限。在理想情况下,一个有效的备用元件在任何元件失效时,能立即取代,使系统性能不受影响。在实际系统中,对所达到的备份度是有限制的,而利用率不可能达到100%。通过仔细地设计,备份可能提供任何单个失效的完全保护,可以达到99.999%有效性或更好。

大部分的备份系统靠备份整个板实现备份。例如,在一个机架上可以用两个相同的控制处理器板,若一个失效,则另一个可取代进行控制。48V分布系统也是备份系统,来自单独电路断路器的双48V馈送到每个板。若任何个别电路断路器释放,则板通过第2个馈送仍然接收不间断的电源。大多数情况下,不用考虑对板上电源系统本身的备份有利,这是由于任何板失效(电源或其他方面)意味着简单的替换板。

对于有效的备份,在备份失效前应立即告知所有元件的失效是板,这是重要的。电源系统中,这意味着不仅仅全面监控所有输出电压轨,而且也要监控保险丝和电源馈入来监测备份失效。另外的监控,如输入电流测量和热感测可以提供过载条件的报警,并进一步改善可靠性。

虽然当今电源系统变得更复杂,但高可靠性是可实现的。使元件数量最少可改善失效率并产生适当的MTBF。用有效的电源管理也可以改善总设备可靠性。注意,可靠性比合理的MTBF更重要。通过进行电源系统限定测试来保证在所有条件下都能满足设备要求。