1、定壓電源失效的真正原因

用到RS485和CAN通信以及運(yùn)放的地方必然會(huì)用到這樣一類電源模塊：1-2W固定電壓輸入的電源模塊，此類電源模塊大多采用成熟的推挽（Royer）電路實(shí)現(xiàn)，具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單成熟、可生產(chǎn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此部分家庭作坊式企業(yè)在制作此類電源模塊，并以極低的價(jià)格出售。這樣的電源模塊看起來(lái)采購(gòu)成本非常低廉，但是單一產(chǎn)品的價(jià)格已經(jīng)不能表征產(chǎn)品真正的成本，低可靠性的產(chǎn)品容易出現(xiàn)損壞，派遣工程師去現(xiàn)場(chǎng)處理的費(fèi)用成本以及客戶的信任危機(jī)成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電源模塊使用者的預(yù)期。因此，極低的不良率是很多高端客戶潛在且必要的需求。

另一方面，目前常見(jiàn)的1-2W定壓電源模塊應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)往往會(huì)出現(xiàn)輕負(fù)載效率低下、輸出容性負(fù)載接的過(guò)大或者是偶發(fā)性的輸出短路而導(dǎo)致產(chǎn)品的失效，更糟糕的是其失效模式卻大多是輸入端開(kāi)關(guān)管被擊穿所導(dǎo)致的輸入短路，電源模塊的輸入端口短路將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的前級(jí)電源的電壓被拉低，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，更嚴(yán)重的是如果前級(jí)電源的供電能力很強(qiáng)，過(guò)流保護(hù)點(diǎn)過(guò)大的話定壓產(chǎn)品的失效往往導(dǎo)致整個(gè)PCB板燒毀乃至于引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重問(wèn)題，所以Royer電路的固有缺陷越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)高可靠性的要求。

那么解決輕負(fù)載效率低下、輸出容性負(fù)載過(guò)大和輸出短路的失效擴(kuò)散的方法到底在哪里呢？

2、誰(shuí)說(shuō)魚(yú)和熊掌不可以兼得？

如何既能保持高效轉(zhuǎn)換又能實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)以及提高電源模塊的長(zhǎng)期可靠性成為了1-2W定壓電源模塊的行業(yè)難題。

金升陽(yáng)，作為微功率模塊電源領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，其在微功率電源技術(shù)上的研究一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位。盡管是已經(jīng)是行業(yè)翹楚，但金升陽(yáng)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上同樣遇到了上述的行業(yè)難題。為了徹底解決1-2W的定壓電源模塊的這些固有問(wèn)題，金升陽(yáng)投入了大量的研發(fā)人力，創(chuàng)造性的提出了六大專利技術(shù)，從根本上解決了Royer電路存在的無(wú)輸出短路保護(hù)、輕負(fù)載條件下效率低、長(zhǎng)期空載易失效、容性負(fù)載能力差、高低溫特性不佳、隔離電容偏大等固有的技術(shù)難題，同時(shí)，我們R2代產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)唯一經(jīng)過(guò)系統(tǒng)可靠性工程改造的定壓產(chǎn)品，采取了DFMEA和PFMEA措施，從失效機(jī)理層面、器件層面、制造工藝層面到客戶應(yīng)用層面的全面可靠性改進(jìn)與提升，并從元器件特性優(yōu)化、PCB布板優(yōu)化、生產(chǎn)工藝改進(jìn)、質(zhì)量管控等方面投入大量人力物力，全面提升產(chǎn)品性能及質(zhì)量。產(chǎn)品的理論失效率從第一代電源模塊300ppm的不良率降低到現(xiàn)在R2代產(chǎn)品的30ppm，大大降低了客戶的使用成本，提高客戶系統(tǒng)的可靠性。目前，金升陽(yáng)定電壓R2代電源模塊產(chǎn)品是全球唯一的同時(shí)具有長(zhǎng)期輸出短路保護(hù)、全負(fù)載范圍高效率、優(yōu)良的EMI特性、低紋波噪聲、優(yōu)異的高低溫特性的產(chǎn)品，金升陽(yáng)將全球的定電壓產(chǎn)品的技術(shù)水平提升到了一個(gè)全新的境界。

3、9大核心賣點(diǎn)奠定絕對(duì)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)一系列系統(tǒng)的可靠性工程改造，金升陽(yáng)定壓R2代產(chǎn)品的整體性能相對(duì)于上一代產(chǎn)品的有了很大的提升，這里以金升陽(yáng)的三代產(chǎn)品B0505LS-1WR2、B0505LS-1WR、B0505LS-1W為例展開(kāi)對(duì)比，具體見(jiàn)表1：

表1  定壓R2代產(chǎn)品與一代產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)對(duì)比

從表1可直觀看出，金升陽(yáng)的R2代產(chǎn)品不但實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期短路保護(hù)，在各關(guān)鍵性能上都有突破性的提升。

1）高效

在目前采用常規(guī)的Royer電路實(shí)現(xiàn)的電源模塊產(chǎn)品，在輕負(fù)載條件下轉(zhuǎn)換效率極低。但是在電源模塊的實(shí)際應(yīng)用中，如果電源模塊長(zhǎng)期工作于輕負(fù)載條件下，由于轉(zhuǎn)換效率低而有可能導(dǎo)致電源模塊產(chǎn)品的失效，更為嚴(yán)重的是造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。金升陽(yáng)的R2代產(chǎn)品，在原有一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性的升級(jí)改良，產(chǎn)品效率得到極大地提高，特別是在輕負(fù)載條件下，其R2代產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率更是達(dá)到原來(lái)產(chǎn)品的2倍，以金升陽(yáng)的第一代B0505LS-1W、B0505LS-1WR和R2代電源模塊B0505LS-1WR2代產(chǎn)品為例，圖1為其產(chǎn)品效率曲線對(duì)比圖：

圖1  R2代產(chǎn)品效率對(duì)比曲線圖

從上圖中可看出，在滿載條件下，R2代產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率比原來(lái)產(chǎn)品提升近10%左右，但在輕負(fù)載(5%Load)條件下，其效率從原來(lái)的22%提升到了40%左右，更加有效的保證產(chǎn)品在系統(tǒng)中長(zhǎng)期工作于輕負(fù)載條件下的可靠性。 

2）高溫度特性

得益于其效率的提升、高工藝水平和采用國(guó)際知名的原材料品牌，完成ESD、MSD、焊接可靠性和精益生產(chǎn)等項(xiàng)目的可靠性整改，極大地提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性，其工作環(huán)境溫度范圍更是達(dá)到了軍標(biāo)要求的-40℃-105℃，極大地降低了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)高溫失效的幾率，而及金升陽(yáng)的一代產(chǎn)品只能滿足-40℃-85℃的工作溫度要求，在高溫環(huán)境下容易造成產(chǎn)品的失效，嚴(yán)重限制了客戶整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用要求。圖2為其工作溫度曲線圖。

圖2 定壓產(chǎn)品工作溫度曲線

從圖2可看出，在金升陽(yáng)一代產(chǎn)品的工作溫度在達(dá)到105℃時(shí)是不能正常使用，不能滿足于對(duì)工作環(huán)境要求比較高的系統(tǒng)，而金升陽(yáng)的R2代產(chǎn)品能很好的解決該問(wèn)題，從系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境到可靠性都得到了極大地保障。

3）長(zhǎng)期短路保護(hù)

具有長(zhǎng)期輸出短路保護(hù)功能的電源模塊產(chǎn)品是滿足整個(gè)系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，但是常規(guī)的Royer電路不具備這樣的特性，當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時(shí)，電源模塊的輸入開(kāi)關(guān)管就會(huì)被擊穿而造成輸入短路，引起前級(jí)電源的崩潰，更為嚴(yán)重的可能會(huì)因?yàn)榍凹?jí)電源無(wú)過(guò)流保護(hù)或者過(guò)流保護(hù)點(diǎn)過(guò)高而發(fā)生火災(zāi)等嚴(yán)重問(wèn)題。

為了解決定壓產(chǎn)品的輸出短路保護(hù)問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)比較常用的方法是利用變壓器繞組分離的技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期輸出短路保護(hù)功能，但采用這種方式帶來(lái)的后果是大大減低了產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率、犧牲產(chǎn)品紋波噪聲特性的同時(shí)提高了成本。

而應(yīng)用了金升陽(yáng)自己發(fā)明的專利技術(shù)，金升陽(yáng)的R2代產(chǎn)品不但能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期輸出短路保護(hù)功能，同時(shí)也滿足全負(fù)載范圍高效率的要求。

4）高容性負(fù)載

在電子系統(tǒng)中，有些特殊器件本身會(huì)帶有很大的容抗，且為了降低電源模塊的紋波噪聲往往在輸出端要采用外加大電容進(jìn)行濾波，這就要求電源模塊必須擁有較高容性負(fù)載的能力。但是常規(guī)采用Royer電路設(shè)計(jì)的定壓電源模塊，其容性負(fù)載的能力很弱，一般情況下只能實(shí)現(xiàn)10uF左右的容性負(fù)載能力，如果輸出端電容過(guò)大或者采用鉭電容進(jìn)行濾波時(shí)可能會(huì)造成產(chǎn)品啟動(dòng)問(wèn)題甚至?xí)斐僧a(chǎn)品的直接失效。且大多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只關(guān)注了模塊在常溫下的容性負(fù)載能力，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)溫度范圍至少需要低到-40℃，因此整機(jī)在低溫下的容性負(fù)載能力是更值得大家關(guān)注的可靠性問(wèn)題。

金升陽(yáng)R2代產(chǎn)品不但實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期短路保護(hù)的功能，保證在鉭電容進(jìn)行濾波時(shí)保證電源模塊本身的安全，其容性負(fù)載能力達(dá)到上百微法的等級(jí)要求，極大地提高了系統(tǒng)受電源模塊容性負(fù)載能力的影響，放寬了后級(jí)電容選擇的要求。

5）穩(wěn)定的輕負(fù)載特性

目前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為了實(shí)現(xiàn)高可靠性的要求，在電源模塊的使用上都會(huì)采取較大的功率降額，這就要求電源模塊能滿足在輕負(fù)載條件下的穩(wěn)定可靠性要求，但是行業(yè)內(nèi)采用常規(guī)的Royer電路實(shí)現(xiàn)的定壓電源模塊，在輕負(fù)載條件下其轉(zhuǎn)換效率低、導(dǎo)致輕載損耗大，產(chǎn)品溫升高，對(duì)于多模塊使用的場(chǎng)合或密閉場(chǎng)合可能導(dǎo)致相對(duì)較高的失效率，完全無(wú)法滿足高可靠性要求的應(yīng)用要求。

金升陽(yáng)的R2代產(chǎn)品從電路到工藝的升級(jí)，保證產(chǎn)品在輕負(fù)載條件下的效率、穩(wěn)定可靠性，讓客戶真正的體驗(yàn)高可靠性產(chǎn)品帶來(lái)的便捷。

6）低隔離電容

在電源設(shè)計(jì)特別是采用常規(guī)Royer電路實(shí)現(xiàn)的電源模塊產(chǎn)品中，為了實(shí)現(xiàn)低的高頻開(kāi)關(guān)噪聲，往往在初次級(jí)間采用大容量的Y電容，且常規(guī)變壓器的繞組間也存在較大的層間電容，這就造成了電源模塊本身的隔離電容過(guò)大。但是在電子系統(tǒng)中，由于電源模塊的隔離電容問(wèn)題引起系統(tǒng)工作的抗共模干擾能力大大下降，異常問(wèn)題頻繁出現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)低的隔離電容，金升陽(yáng)的R2代產(chǎn)品從變壓器的設(shè)計(jì)、EMI的設(shè)計(jì)等方面入手，不需要過(guò)大的初次級(jí)間外加Y電容而降低產(chǎn)品本身因高頻開(kāi)關(guān)而帶來(lái)的高頻噪聲，實(shí)現(xiàn)了極低的隔離電容，為系統(tǒng)有效地抗共模干擾提供更可靠的保證。

7）EMI & EMC特性

EMC性能是電子系統(tǒng)正常、安全工作的保證，目前對(duì)電子行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的EMC都提出了很高的要求，而電源模塊作為電子系統(tǒng)的核心部件，電源模塊的EMC性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以高的EMC特性是電源模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，但是在定壓電源模塊中，由于受到體積、成本的限制，行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品以及金升陽(yáng)原有一代產(chǎn)品的EMC特性都不盡人意，這嚴(yán)重影響了電子系統(tǒng)的整體性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在電源模塊的前后級(jí)外加過(guò)多的EMC器件才能實(shí)現(xiàn)基本的EMC要求，以金升陽(yáng)一代產(chǎn)品為例，必須要加復(fù)雜的外圍電路產(chǎn)品才能滿足CLASS B的EMI要求，對(duì)靜電也只滿足4KV的測(cè)試要求。

為了實(shí)現(xiàn)高EMI性能要求，金升陽(yáng)對(duì)R2代產(chǎn)品的EMI特性作了全面的升級(jí)改良，在加少量外圍器件（輸入端采用Π型濾波）后能實(shí)現(xiàn)CLASS B的EMI等級(jí)要求，其靜電等級(jí)也能到達(dá)8KV的標(biāo)準(zhǔn)，極大地提升了產(chǎn)品的EMI & EMC特性。圖3為加少量外圍電路后其傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果。

圖3 定壓R2代產(chǎn)品EMI測(cè)試波形

8)良好的組裝體驗(yàn)

金升陽(yáng)的一代產(chǎn)品，是采用與業(yè)內(nèi)相似的塑膠外殼灌封工藝而實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品封裝，這類產(chǎn)品的工藝難點(diǎn)在于引腳與外殼的距離精度較差，當(dāng)進(jìn)行大規(guī)模自動(dòng)化作業(yè)時(shí)，由于引腳間距的精度問(wèn)題而帶來(lái)的生產(chǎn)維修成本將大大增加，給客戶的生產(chǎn)造成額外經(jīng)濟(jì)損失。

以金升陽(yáng)B0505LS-1WR2代產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品采用業(yè)內(nèi)先進(jìn)的塑封工藝技術(shù)，大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、保證引腳與外殼的高間距精度，完全可以滿足機(jī)械插件自動(dòng)化生產(chǎn)工藝的要求，對(duì)客戶的批量生產(chǎn)帶來(lái)極大地便利性，降低了客戶的組裝成本。

9）完整的體系保證

金升陽(yáng)是目前國(guó)內(nèi)唯一通過(guò)TS16949汽車產(chǎn)品認(rèn)證的電源模塊企業(yè)。TS16949與ISO9001標(biāo)準(zhǔn)相比，更加關(guān)注于過(guò)程管控及FMEA分析。目前金升陽(yáng)不僅擁有汽車級(jí)專用電源模塊，而且將汽車產(chǎn)品認(rèn)證的質(zhì)量管理要求逐步延伸到R2代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)中，更加有效的保證了R2代電源模塊產(chǎn)品的可靠與穩(wěn)定性。

目前，金升陽(yáng)的研發(fā)體系集合了IPD產(chǎn)品開(kāi)發(fā)規(guī)范、ISO9001產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求、TS16949對(duì)于設(shè)計(jì)管控的要求、可靠性平臺(tái)的要求、全過(guò)程的目標(biāo)成本管理，打造了具體金升陽(yáng)特色的研發(fā)管理體系，為打造精品產(chǎn)品，提供了令人信賴的體系保證。

3、總結(jié)

通過(guò)不斷的技術(shù)研究以及生產(chǎn)工藝改良，金升陽(yáng)的R2代產(chǎn)品從基本電氣性能到可靠性都得到了極大地提升，在升級(jí)過(guò)程中產(chǎn)生大量的專利，同時(shí)因?yàn)楣に嚨母牧己蜕a(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、相繼引進(jìn)了PCB自動(dòng)貼片設(shè)備，變壓器自動(dòng)繞線設(shè)備、成品的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、自動(dòng)打標(biāo)設(shè)備等，降低了人工成本以及制造成本，保證了產(chǎn)品的高性價(jià)比。金升陽(yáng)的R2代電源模塊以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于其他同類電源模塊產(chǎn)品，作為民族企業(yè)在海外與國(guó)際知名品牌一較高低，成為世界級(jí)的優(yōu)秀電源品牌企業(yè),特別是在定電壓電源模塊產(chǎn)品上所帶來(lái)的技術(shù)革新，推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)向前邁出了一大步，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Royer電路的革命性升級(jí)，為電源模塊行業(yè)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。