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在电源模块设计时一些容易被忽略的问题

2020年06月02日 15:07 次阅读

虽然采用模块式的设计有以上的多个优点,但模块式设计以至板上直流/直流转换器设计也有本身的问题,很多人对这些问题认识不足,或不给予足够的重视。以下是其中的部分问题:

输出噪音的测量磁力系统的设计;同步降压转换器击穿现象;印刷电路板的可靠性。这些问题会将在下文中一一加以讨论,同时还会介绍多种可解决这些问题的简单技术。

输出噪音的测量技术

所有采用开关模式的电源供应器都会输出噪音。开关频率越高,便越需要采用正确的测量技术,以确保所量度的数据准确可靠。量度输出噪音及其他重要数据时,可以采用Tektronix 探针探头 (一般称为冷喷嘴探头),以确保测量数字准确可靠,而且符合预测。这种测量技术也确保接地环路可减至最小。

进行测量时我们也要将测量仪表可能会出现传播延迟这个因素计算在内。大部分电流探头的传播延迟都大于电压探头。因此必须同时显示电压及电流波形的测量便无法确保测量数字的准确度,除非利用人手将不同的延迟加以均衡。

电流探头也会将电感输入电路之内。典型的电流探头会输入 600nH 的电感。对于高频的电路设计来说,由于电路可承受的电感不能超过1mH,因此,经由探头输入的电感会影响 di/dt 电流测量的准确性,甚至令测量数字出现很大的误差。若电感器已饱和,则可采用另一更为准确的方法测量电流量,例如,我们可以测量与电感器串行一起的小型分路电阻的电压。

磁学的设计

磁心是否可靠是另一个经常被人忽略的问题。大部分输出电感器都采用铁粉磁心,因为铁粉是成本最低的物料。铁粉磁心的成份之中大约有 95% 属纯铁粒,而这些铁粉粒利用有机胶合剂粘合一起。这些胶合剂也将每一铁粉粒分隔,使磁心内外满布透气空间。

铁粉是构成磁心的原材料,但铁粉含有小量的杂质如锰及铬,而这些杂质会影响磁心的可靠性,影响程度视乎所含杂质的数量。我们可以利用光谱电子显微镜 (SEM) 仔细查看磁心的截面,以便确定杂质的相对分布情况。磁心是否可靠,关键在于材料是否可以预测以及其供应是否稳定可靠。

若铁粉磁心长期处于高温环境之中,磁心损耗可能会增加,而且损耗一旦增多,便永远无法复原,因为有机胶合剂出现份子分解,令涡流损耗增加。这种现象可称为热老化,最后可能会引致磁心出现热失控。

磁心损耗的大小受交流电通量密度、操作频率、磁心大小及物料类别等多个不同因素影响。以高频操作为例来说,大部分损耗属涡流损耗。若以低频操作,磁滞损耗反而是最大的损耗。

涡流损耗会令磁心受热,以致效率也会受影响而下跌。产生涡流损耗的原因是以铁磁物质造成的物体受不同时间的不同磁通影响令物体内产生循环不息的电流。我们只要选用一片片的铁磁薄片而非实心铁磁作为磁心的物料,便可减低涡流损耗

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