在需要時(shí)就有電可使用是任何電氣或電子系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，但推動(dòng)電源模塊或子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最終穩(wěn)健性依靠的是多年對(duì)故障物理學(xué)以及將這些知識(shí)經(jīng)過(guò)大量試誤然后應(yīng)用在電源設(shè)計(jì)上。如果一個(gè)設(shè)計(jì)不能被一致且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地制造出來(lái)，那么再好的設(shè)計(jì)也毫無(wú)價(jià)值，因此要將如何實(shí)踐可靠的設(shè)計(jì)與最終解決方案的驗(yàn)證和大量生產(chǎn)的要素全部聯(lián)系起來(lái)，這對(duì)于理解關(guān)鍵系統(tǒng)性能與電源解決方案工程的眾多因素之間的關(guān)聯(lián)是必不可少的。

電源解決方案如何影響系統(tǒng)可靠性？

電源解決方案以多種方式影響系統(tǒng)可靠性，有些方式比其他方式更明顯。首先，系統(tǒng)通常需要啟動(dòng)才能正常運(yùn)行，加上電子或電氣系統(tǒng)在沒(méi)有電源的情況下也無(wú)法工作，因此僅僅是能夠啟動(dòng)就是可靠性的核心衡量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，這也是許多人會(huì)先想到的地方。除了啟動(dòng)運(yùn)作之外，系統(tǒng)的性能還與電源的質(zhì)量有關(guān)。換句話(huà)說(shuō)，必須滿(mǎn)足每個(gè)系統(tǒng)電壓軌的特性和規(guī)范才能被認(rèn)為是可接受的質(zhì)量，這樣才能滿(mǎn)足負(fù)載的需求，從而保證電源質(zhì)量不會(huì)抑制負(fù)載性能。電源的電壓調(diào)節(jié)能力（有不同的輸入電壓或輸出負(fù)載的變化）、在不影響電源穩(wěn)定性或超過(guò)可接受的限度的情況下可以適應(yīng)怎樣的瞬態(tài)或負(fù)載階躍、輸出電壓升高的速度或平穩(wěn)度，以及需要滿(mǎn)足哪些安全法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)才能獲得合法運(yùn)輸產(chǎn)品所需的報(bào)告或認(rèn)證，這些都跟電源質(zhì)量有關(guān)。

如上所述，電源調(diào)節(jié)不但適用于輸入也適用于輸出。即使輸出端圓滿(mǎn)完成工作，反射回輸入端的噪聲也會(huì)影響共享同一線(xiàn)路或總線(xiàn)的其他設(shè)備。如果這種交叉干擾在許多單元和系統(tǒng)之間擴(kuò)展，影響甚至?xí)?duì)設(shè)施的可靠性或穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。AC/DC 電源的功率因數(shù)校正 (PFC) 或最大總諧波失真 (THD) 水平是為了解決這一現(xiàn)象，但與終端系統(tǒng)的性能無(wú)關(guān)。

由于電氣系統(tǒng)所有部份都要有電才能運(yùn)行，因此許多機(jī)電組件將電源與負(fù)載在物理上連接，這往往是常見(jiàn)的故障點(diǎn)，成為系統(tǒng)可靠性的優(yōu)化瓶頸。在對(duì)電源解決方案進(jìn)行故障分析時(shí)，連接器、線(xiàn)束、電線(xiàn)和焊點(diǎn)通常是要先被調(diào)查的罪魁禍?zhǔn)住Ｈ魏慰梢晕锢硪苿?dòng)的東西都?xì)w在此類(lèi)，例如開(kāi)關(guān)和風(fēng)扇。

濾波器組件是電源的物料清單 (BOM) 所關(guān)注的另一個(gè)主要項(xiàng)目，即電容器、變壓器和電感器等儲(chǔ)能設(shè)備。電容器的可靠性通常取決于電解質(zhì)材料的狀態(tài)，電解質(zhì)材料通常為液態(tài)，會(huì)隨著時(shí)間的推移以及溫度和電應(yīng)力（即紋波）的變化而蒸發(fā)甚至脫氣。除了溫度和電應(yīng)力（磁芯飽和）以外，磁性組件的結(jié)構(gòu)本就復(fù)雜而且若是人工組裝而成，這些都可能成為可靠性弱點(diǎn)。

檢視所有電源和系統(tǒng)重迭的重點(diǎn)項(xiàng)目也是一個(gè)很好的開(kāi)始來(lái)減輕每個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。除了將這些內(nèi)容列出以外，此練習(xí)還提供了一些很好的線(xiàn)索，提醒在不斷追求提高系統(tǒng)可靠性的過(guò)程中要將設(shè)計(jì)和驗(yàn)證重點(diǎn)放在何處。系統(tǒng)可靠性可以用許多不同的方式表示，這些方式通常透過(guò)檢視上述可靠性瓶頸的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算并預(yù)測(cè)壽命或失效（參見(jiàn)「平均故障間隔時(shí)間」(MTBF) 和「平均故障時(shí)間」(MTTF)) [1]。

電源解決方案的設(shè)計(jì)和制造方法促成可靠性的關(guān)鍵為何？

考慮到典型電源必要的元素，再看到這些強(qiáng)大的子系統(tǒng)有大量定制 BOM、多種機(jī)電組件和高功率密度，在被安全且重復(fù)地制造的同時(shí)還能保持最高良率，似乎是個(gè)奇跡。即使是看起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單的電源解決方案也是經(jīng)過(guò)多年的艱苦時(shí)間和不懈努力，一路從原材料采購(gòu)到最后的報(bào)廢 (EOL) 處理和回收，不斷從錯(cuò)誤中吸取教訓(xùn)并優(yōu)化流程的結(jié)果。

在設(shè)計(jì)階段，大多數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計(jì)師都會(huì)參考某種降額指南，對(duì)于應(yīng)該使用多少余量以利用特定組件或設(shè)計(jì)系統(tǒng)所提出建議。換句話(huà)說(shuō)，對(duì)于任何特定品質(zhì)因數(shù) (FOM)，應(yīng)該要將項(xiàng)目額定最大規(guī)格降低多少來(lái)計(jì)算最大應(yīng)力和預(yù)期性能？這適用于組件的額定電壓或電流、外部環(huán)境溫度或機(jī)械應(yīng)力等物理屬性的所有品質(zhì)因數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，安全工作極限是由多項(xiàng)品質(zhì)因數(shù)決定，例如半導(dǎo)體工作到最大結(jié)溫限制，可能與通道電流直接相關(guān)。降額指南或標(biāo)準(zhǔn)往往是根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，而這些也是根據(jù)所需的特定組件、材料和應(yīng)用而來(lái)。遵循一些規(guī)則可以讓沒(méi)有多年經(jīng)驗(yàn)的新手設(shè)計(jì)師透過(guò)指南做出明智的決定。

故障物理學(xué)的歷史基礎(chǔ)和研究有點(diǎn)超出本博客的范圍，但還是可以簡(jiǎn)單介紹設(shè)計(jì)人員在這方面可能會(huì)運(yùn)用到的分析。上一節(jié)中引用的統(tǒng)計(jì)學(xué)算法通常會(huì)采用 Arrhenius 方程 [2] 的某些變體，該方程計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系，組件在整個(gè)生命周期中觀(guān)察到的能量表現(xiàn)出足夠的熱應(yīng)力時(shí)可預(yù)測(cè)到惡化到某個(gè)閾值會(huì)發(fā)生故障。將這些性能或故障預(yù)測(cè)與上述根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的指南互相結(jié)合而產(chǎn)生的過(guò)程文件，這些高質(zhì)量的電源設(shè)計(jì)資源將被謹(jǐn)慎開(kāi)發(fā)、維護(hù)和執(zhí)行，其中可能包括質(zhì)量管理系統(tǒng) (QMS) 或其他過(guò)程控制和數(shù)據(jù)捕獲框架。最若要確定特定資源的質(zhì)量，最快的方法是找出所使用的標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證或流程的種類(lèi)；請(qǐng)參考普遍認(rèn)可的 ISO 9001 標(biāo)準(zhǔn) [3]。

對(duì)于電源解決方案的設(shè)計(jì)和操作來(lái)說(shuō)磁性組件是不可或缺的一部分，由于磁性組件涉及人工流程以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而成為常見(jiàn)的故障點(diǎn)之外（更別提電磁兼容性或 EMC），許多認(rèn)真的電源設(shè)計(jì)師會(huì)需要投入大量精力來(lái)優(yōu)化變壓器和電感器的材料和設(shè)計(jì)（電氣和機(jī)械上的優(yōu)化）。變壓器的構(gòu)造不僅對(duì)性能至關(guān)重要，而且透過(guò)電流隔離用戶(hù)或負(fù)載以避免不安全電壓帶來(lái)的危害，可能是確保電源解決方案（以及最終系統(tǒng)）安全的第一道防線(xiàn)。這些組件本身具有額外的負(fù)擔(dān)因?yàn)樗鼈兺ǔＪ窍到y(tǒng)里最大的，無(wú)論是尺寸或質(zhì)量。這意味著除了剛才概述的所有因素以外，光是固定這些大型組件就極為重要，因?yàn)橐_保它們承受高于系統(tǒng)預(yù)期的最大沖擊和振動(dòng)應(yīng)力的時(shí)候仍保持安穩(wěn)。

一個(gè)解決方案的成功與否，有很大取決于用來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)性能和最大限制的測(cè)試方式和驗(yàn)證框架。當(dāng)然大部份的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都會(huì)經(jīng)過(guò)某種程度的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試（DVT，又名平臺(tái)測(cè)試），但將被測(cè)單元 (UUT) 放在精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)性地進(jìn)行故障測(cè)試（尤其是達(dá)到斷點(diǎn)）可以將一個(gè)好的、可接受的設(shè)計(jì)與一個(gè)優(yōu)秀的、高度可靠的設(shè)計(jì)區(qū)分開(kāi)來(lái)。這一系列的測(cè)試屬于「高度加速」，因?yàn)樗鼈兡M系統(tǒng)在整個(gè)生命周期中可能遇到的極端壓力，以在更合理的開(kāi)發(fā)時(shí)間（以數(shù)周或數(shù)月代表使用多年）內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障機(jī)制。這些類(lèi)型的測(cè)試還可能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中施加電、熱和機(jī)械應(yīng)力，而這些應(yīng)力測(cè)試若要在相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)試平臺(tái)上執(zhí)行是無(wú)法做到的甚至是不安全的。其他類(lèi)似的測(cè)試包括高加速壽命測(cè)試 (HALT) [4] 以在設(shè)計(jì)階段將原型推向極限，或是高加速應(yīng)力篩選或稽核 (HASS/HASA) [5] 不斷從生產(chǎn)中抽樣并定期對(duì)它們進(jìn)行加速壽命測(cè)試來(lái)確保產(chǎn)品的可靠性。

現(xiàn)代電源解決方案如何提高系統(tǒng)可靠性？

電源解決方案與整體系統(tǒng)可靠性相關(guān)的關(guān)鍵故障點(diǎn)已經(jīng)有許多討論，電源解決方案專(zhuān)家通常采取的方式是根據(jù)故障物理學(xué)來(lái)分析此類(lèi)瓶頸以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。若要進(jìn)一步強(qiáng)化制造和組裝的方法，也許更深入研究電源設(shè)計(jì)和制造的細(xì)節(jié)是有用的。

由于機(jī)電組件是系統(tǒng)公認(rèn)的最常見(jiàn)的弱點(diǎn)，因此解決方法顯然是單純地消除這些組件，但這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。光是知道風(fēng)扇體積龐大且容易出現(xiàn)機(jī)械故障并不意味著組件無(wú)法保持足夠低溫以在沒(méi)有風(fēng)扇的情況下正常運(yùn)行，因此利用其他熱緩解的技術(shù)（即散熱、均熱），結(jié)合智能電源管理技術(shù)降低功耗，就可能讓一個(gè)需要使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的系統(tǒng)與另一個(gè)可以通過(guò)輻射或自然對(duì)流冷卻的系統(tǒng)之間存在了決定性的不同。事實(shí)上，任何可以提高電源解決方案的整體功能轉(zhuǎn)換效率的事物都會(huì)增加這一價(jià)值主張，例如寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體或降低電容器紋波，因?yàn)樾逝c解決方案的功耗成反比。

用表面貼裝 (SM) 焊盤(pán)取代通孔 (TH) 引腳是電源解決方案的趨勢(shì)，并且只是近年來(lái)眾多先進(jìn)封裝的其中一種。雖然表面貼裝本身并不是什么新技術(shù)，但將高電流或熱負(fù)載更直接地從封裝引線(xiàn)框架和半導(dǎo)體組件轉(zhuǎn)移到外部印刷電路板 (PCB) 和散熱器或均熱片的能力已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，特別是借助三維電源封裝 (3DPPR) 技術(shù) [6]。更清潔的連接方法也促使使用更高階的焊接標(biāo)準(zhǔn)，例如 IPC-610 [7]，因?yàn)楹更c(diǎn)通常是質(zhì)量經(jīng)理和負(fù)責(zé)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的人的痛點(diǎn)。

先前已討論過(guò)要盡可能將人工繞線(xiàn)的方式轉(zhuǎn)為自動(dòng)化過(guò)程，特別是磁性組件?，F(xiàn)代封裝和異質(zhì)集成技術(shù)透過(guò)結(jié)合平面磁體而變得更加進(jìn)步。將磁體繞組合并到 PCB 經(jīng)過(guò)精心配置的迭加走線(xiàn)（通常在是在同一個(gè)板子上面放置其他系統(tǒng)組件），然后將磁體或磁芯材料在走線(xiàn)周?chē)忾]起來(lái)以形成磁性結(jié)構(gòu)。這樣做會(huì)帶來(lái)一系列優(yōu)勢(shì)，從減小尺寸到實(shí)現(xiàn)有嚴(yán)格公差的極復(fù)雜幾何形狀，還能減少使用不那么可靠的組件并推動(dòng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)和自動(dòng)化生產(chǎn)。平面磁體還可以促進(jìn)改進(jìn)印刷電路組件 (PCA) 的三防膠或氣密密封技術(shù)以防止環(huán)境因素影響系統(tǒng)可靠性，例如灰塵、濕氣以及空氣中的導(dǎo)電粒子。

在電源解決方案的推動(dòng)下，即使是日益復(fù)雜的組件，制造流程和組件跟蹤文件的改進(jìn)讓系統(tǒng)可靠性有了幾乎是不可預(yù)期的長(zhǎng)足進(jìn)展。改善的可追溯性和全球?qū)υ牧先说啦少?gòu)的關(guān)注使得我們不僅能夠追蹤電源每個(gè)組件的批次或制造日期溯源，甚至還能追溯到材料是來(lái)自于哪個(gè)國(guó)家或礦產(chǎn)，所有信息皆可通過(guò)電源序列號(hào)查詢(xún)。這種級(jí)別的跟蹤和可追溯性來(lái)自多年的文書(shū)工作和數(shù)據(jù)庫(kù)，從文件柜里的文件演變?yōu)楠?dú)一無(wú)二的數(shù)字 ID，因此一個(gè)組件可以追溯到零件配套、封裝、測(cè)試、裝運(yùn)甚至是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。這些進(jìn)步的文件管制流程除了對(duì)能夠順利從產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)出來(lái)的組件很重要，對(duì)于管制重工組件或PCA的質(zhì)量也很有貢獻(xiàn)。若能溯源，曾經(jīng)因?yàn)闊o(wú)法追溯而無(wú)法調(diào)查出原因的謎團(tuán)就能夠進(jìn)行失效分析找出根本原因并持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)可靠性。不然會(huì)怎么發(fā)現(xiàn)只是為了產(chǎn)線(xiàn)操作員短時(shí)間上的方便而讓PCB過(guò)使用不適當(dāng)溫度曲線(xiàn)的回焊爐？

結(jié)論

任何系統(tǒng)的強(qiáng)度都取決于最弱的弱點(diǎn)，而電源在提高系統(tǒng)可靠性上面臨了大量的潛在瓶頸。畢竟就零件數(shù)量和設(shè)計(jì)復(fù)雜性而言，電源解決方案與任何其他子系統(tǒng)或組件一樣具有挑戰(zhàn)性，甚至可以跟整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)媲美。意識(shí)并內(nèi)化這一點(diǎn)可以將這些弱點(diǎn)變成世界上最強(qiáng)大、最可靠的系統(tǒng)（甚至是太空應(yīng)用，那里可沒(méi)有保修退貨和維修）。 

幾十年來(lái)，人們對(duì)電源解決方案中的故障物理原理進(jìn)行了非常深入的研究，因此設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在手頭上有大量的工具和指南。這些有用的方法可以更具體地幫助某些行業(yè)和應(yīng)用，但應(yīng)注意的是即使是為一個(gè)市場(chǎng)或垂直市場(chǎng)量身定制的，它仍然可以很容易取得（例如便宜）且適合其他的市場(chǎng)。例如，像 IPC-9592B [8] 這樣的標(biāo)準(zhǔn)的降額指南和加速壽命測(cè)試是針對(duì)大型計(jì)算機(jī)和電信系統(tǒng)而制定的，但它們也可以促進(jìn)可靠且負(fù)擔(dān)得起的消費(fèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。MIL-HDBK-217 [9] 和 MIL-HDBK-338B [10] 等標(biāo)準(zhǔn)是為軍事用途建立的，但也可用在其他高可靠性的應(yīng)用上。

注意：一定要注意一些內(nèi)容的日期，自己深入研究有哪些內(nèi)容適用于特定的應(yīng)用因?yàn)橛行┛赡芤呀?jīng)過(guò)時(shí)。此外，請(qǐng)注意指南所參考的文獻(xiàn)和背景信息以確保任何數(shù)據(jù)或假設(shè)適用于當(dāng)前的應(yīng)用。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)今的設(shè)計(jì)人員有非?？煽康闹苯犹娲鉀Q方案，不僅外形尺寸用戶(hù)友好還與各種制造流程兼容。先進(jìn)的封裝和 3DPPR 技術(shù)在利用最先進(jìn)的 (SOTA) 商用現(xiàn)成 (COTS) 的電源子系統(tǒng)的同時(shí)也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供集成電源解決方案所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)和堅(jiān)固性。