板電源系統可靠性的提高

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,而總的板功率繼續急增。增加的不同軌電壓也使電源系統中軌之間定序和跟蹤變復雜。同時,為了降低設備發生故障時間,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集成。

　　圖1 典型的48V板電源系統,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

　　產品不再依靠簡單的5V電源分布系統。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壓,紋波和瞬態性能指標。因此,現在分布電源系統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定的電壓和時間限制,甚至在短瞬態條件下也能保證這樣。這些要求與需要監控所有軌的過壓(OV)和欠壓(UV)保護結合起來,顯然,板電源系統已脫離簡單構建的范圍。

　　電源系統實現

　　圖1示出一個板電源系統實例。在此實例中,典型產品(如通信系統或高端計算服務器)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。

　　為了協同DC-DC轉換器的工作,板電源系統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：

　　在規定的輸入電壓開啟和關閉電源系統;

　　在所要求時序控制所有輸出的開啟和關閉;

　　監控所有輸出的OV和UV故障;

　　故障發生時控制關閉;

　　若需要,調節輸出電壓;

　　告知系統控制器電源狀態;

　　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。

　　系統級：系統須根據執行所需要功能的能力,采用自上而下的系統方法。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。