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干貨 | 關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器的選型及設(shè)計詳細指南
DC/DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格說明
板載DC-DC轉(zhuǎn)換器的規(guī)格是重要且詳細的過程,。選型正確后,，它會產(chǎn)生符合所有應(yīng)用的經(jīng)濟高效的解決方案,。錯誤選擇轉(zhuǎn)換器會導(dǎo)致成本過高,，或者不適合該應(yīng)用。本常見問題解答將介紹板載DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要規(guī)格,，以及包括熱管理和電磁兼容性考慮因素,。
這款效率為96％的40A負載點（PoL）非隔離式板裝DC/DC轉(zhuǎn)換器尺寸為33mm x 13.5mm x 10.2mm。（圖片：TDK）
效率通常是DC/DC轉(zhuǎn)換器重要的規(guī)格,，它對系統(tǒng)設(shè)計的許多方面都具有重大影響,。即使在高效率的設(shè)計中，效率的提高也會產(chǎn)生重大影響,。效率為95％的設(shè)計熱損耗為5%,，效率為80％的DC/DC轉(zhuǎn)換器熱損耗為20%,，相差四倍。這種差異會影響系統(tǒng)設(shè)計的許多方面：
可以降低工作溫度,，或者可以在相同工作溫度下提高系統(tǒng)功率密度
系統(tǒng)的物理尺寸減小
由于可使用較小甚至無需使用散熱器,，因此系統(tǒng)成本將更低
可靠性大幅提高
對于交流電源系統(tǒng)，前端交流/直流電源將更小且成本更低
電池供電的系統(tǒng)可以使用較小的電池或在給定的供電水平下運行更長時間
對系統(tǒng)的能源成本和環(huán)境影響將減少
5V DC/1A輸出的DC / DC轉(zhuǎn)換器在各種輸入電壓下的效率曲線,。圖片：RECOM
效率可以通過多種方式體現(xiàn),，例如在各種輸入電壓電平，各種輸出功率電平等情況下的典型值（非常常見）,，保證的較小值,。并且，在所考慮的范圍內(nèi),，效率通常不是平坦的,。對于輸出功率與效率的關(guān)系，重要的是要考慮效率曲線的形狀,，并將其與系統(tǒng)的預(yù)期運行狀態(tài)相匹配,，以在實際運行條件下較大化效率。
在許多應(yīng)用中,，尤其是電池供電的設(shè)備,，空載功耗可能是重要的指標(biāo)，它與開關(guān)電路的功耗有關(guān),，是整體效率的限制因素,。
輸出調(diào)節(jié)
額定輸出電流是一個簡單明了的規(guī)格。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還規(guī)定了較小負載,。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的不同，低于小負載的運行會對電壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生負面影響,，但不會損壞轉(zhuǎn)換器,。輸出電壓是要的更復(fù)雜的參數(shù)。提供用于輸出電壓的起點的兩個因素是標(biāo)稱值或“設(shè)定點”,，以及該標(biāo)稱值與各種獨立參數(shù)（例如輸出負載的變化,，輸入電壓的變化和工作溫度變化。)
設(shè)定值規(guī)格的一個例子是在額定輸入電壓,，滿載和25°C下為±1％,。電源和負載調(diào)整率通常為百分比或范圍，例如,，±0.1％或±5mV,。溫度調(diào)節(jié)通常為“每攝氏度”，例如±0.01％/°C或百萬分之一（PPM）,，如PPM /°C所示,。一些DC/DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商提供了針對所有可能變化的“總調(diào)節(jié)”的單一規(guī)范,，而不是提供上面概述的各個規(guī)范。對于低于3V的電壓,，詳細規(guī)定輸出電壓調(diào)節(jié)可能更為重要,。
在典型應(yīng)用中，與輸出負載水平相比,，在系統(tǒng)運行期間,，線路輸入電壓和工作溫度變化相對較小。結(jié)果,，負載調(diào)節(jié)是更關(guān)鍵的規(guī)格,。另外，由于輸出負載中階躍函數(shù)的變化而產(chǎn)生動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（有時稱為瞬態(tài)響應(yīng)）,。
動態(tài)調(diào)節(jié)
對于許多系統(tǒng),，動態(tài)調(diào)節(jié)比靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)更為關(guān)鍵。在動態(tài)調(diào)節(jié)時,，有必要對負載的變化,，變化率，“恢復(fù)”的定義以及達到恢復(fù)的時間進行量化,。例如：“負載變化為25％至75％,，dI/dt為0.1A/µs，較大偏差為3％,，并在200ms內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定值的1％,。”輸出電壓將在電流增加時減小，而在電流減小時增加,。
輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié),，顯示瞬態(tài)響應(yīng)偏差和恢復(fù)時間。（圖片：Keysight Technologies）
動態(tài)響應(yīng)既是系統(tǒng)設(shè)計的考慮因素,，也是電源設(shè)計的考慮因素,。配電網(wǎng)絡(luò)的阻抗和去耦設(shè)計對動態(tài)調(diào)節(jié)具有重大影響。對于板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器,，為FPGA和微處理器等大型數(shù)字IC供電時,，動態(tài)調(diào)節(jié)尤其重要。
開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出包含低頻（紋波）和高頻（噪聲）分量,，通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示,。對于5V輸出，紋波和噪聲的典型規(guī)格峰峰值為75mV,。紋波的頻率與轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率有關(guān),。噪聲的可變性更大，并且是由開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器工作中固有的高dI/dt寄生電感振鈴引起的,。噪聲在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間突然出現(xiàn),，并疊加在較低的頻率紋波上,。使用板載DC / DC轉(zhuǎn)換器時電磁兼容性需要詳細考慮。
保護功能
過流保護旨在保護轉(zhuǎn)換器免受系統(tǒng)故障（例如短路）的影響,。有三種常見的方法來實現(xiàn)限流保護,，較大限流，折返限流和打嗝限流,。在較大電流限制中,，負載電流被限制在不超過較大值的范圍內(nèi)。當(dāng)達到該值時,，輸出電壓下降,。在電流限制階段，DC / DC轉(zhuǎn)換器中的功耗通常比正常操作中的功耗高,。折返電流限制可在檢測到故障時降低輸出電流,。與較大電流限制相比，這可以實現(xiàn)較低的較大功耗,。但是,，折返電流限制可能會在啟動時提供較少的電流。結(jié)果,，如果啟動期間的負載電流大于折返電流極限支持的值,，則輸出的上升速度會變慢，否則轉(zhuǎn)換器可能無法啟動,。
當(dāng)電流檢測電路在打嗝電流限制中發(fā)現(xiàn)過電流情況時,，DC/DC轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉一段時間，然后嘗試再次啟動,。如果消除了過載條件,，轉(zhuǎn)換器將啟動并正常運行；否則,，控制器將認為是另一種過電流情況并關(guān)閉,，重復(fù)該循環(huán)。打嗝操作消除了其他兩種過流保護方法的缺點,。但是，由于需要定時電路,，因此更加復(fù)雜,。
打嗝電流限制比較大電流限制或折返電流限制更為復(fù)雜。帶有打ic保護功能的轉(zhuǎn)換器每次嘗試重新啟動時都會發(fā)出“滴答”聲,。圖片：RECOM
通常,，將轉(zhuǎn)換器故障導(dǎo)致的輸出過壓條件鉗位在特定水平。裝置通常在短路狀態(tài)下發(fā)生故障,，從而防止損壞主機系統(tǒng),。某些DC/DC轉(zhuǎn)換器還具有欠壓鎖定功能,，可在低輸入電壓下將其關(guān)閉。轉(zhuǎn)換器在“掉電模式”下工作,，在該模式下,，輸出功率受限，以防止過多的輸入電流流入,。
一般規(guī)格
在特定應(yīng)用中,，許多附加規(guī)范可能很重要，例如用于轉(zhuǎn)換器配置和監(jiān)視的PMBus通信功能,。遠程開關(guān)功能可控制多個轉(zhuǎn)換器的上電和斷電順序或出于安全原因選擇遠程,，遙感功能對某些應(yīng)用可能很重要。
大多數(shù)板上安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器是非隔離的降壓轉(zhuǎn)換器,。不過,，有時還是需要隔離轉(zhuǎn)換器，并且需要隔離電壓的水平,。隔離電容也很重要,，主要是隔離式轉(zhuǎn)換器中變壓器初級繞組和次級繞組之間的寄生耦合。
二,、EMC和EMI
電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）是影響電源系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)級考慮,，尤其是在分布式電源架構(gòu)（DPA）中使用多個板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的情況下。EMC / EMI是一個多方面的考慮因素,，其中包括轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出的差模和共模噪聲,，輻射噪聲和傳導(dǎo)噪聲以及轉(zhuǎn)換器的磁化率和發(fā)射水平。
EMC被定義為即使在給定范圍內(nèi)遭受各種EMI形式影響,，設(shè)備仍可按規(guī)定運行的能力,。板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器可能是很大的EMI源，必須對其進行控制以確保系統(tǒng)正常運行,。而且它還容易受到干擾,，特別是在輸入側(cè)。
高頻板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器需要選擇轉(zhuǎn)換器中磁性元件的尺寸較小化,，從而減小了整體解決方案,。使用較小的無源器件可以使設(shè)計緊湊的電路更為簡單，從而獲得更好的EMC / EMI特性,。
但是,，高頻也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器中電源開關(guān)電路的EMI增加。原因之一是陡峭的MOSFET開關(guān)沿導(dǎo)致較高的dI / dt（取決于上升時間,，其頻率高達幾百MHz）,，這受MOSFET輸出電容，結(jié)電容，肖特基二極管的反向恢復(fù)電容等因素,。
電磁兼容/電磁干擾
EMI耦合機制（圖片來源：Boyd Corp.）
如上所述,，EMI可以通過傳導(dǎo)，輻射或耦合發(fā)射的形式出現(xiàn),。根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計,，在DPA中使用多個板上安裝的降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器時，每種EMI產(chǎn)生方式都可能成為一個重大問題,。
傳導(dǎo)發(fā)射是通過導(dǎo)線,，電路板走線等帶入電子系統(tǒng)的有害電磁能量。它可以采取共?；虿钅＃ㄒ卜Q為正常模式）能量的形式,。
耦合發(fā)射包括從干擾源到電子系統(tǒng)的電容或電感耦合的電磁能。
輻射發(fā)射是從干擾源到電子系統(tǒng)的整個空間輻射的電磁能,。
EMI標(biāo)準
有兩種類型的EMC標(biāo)準,，基本和與通用/產(chǎn)品相關(guān)。像IEC 61000-4和CISPR 16一樣,，基本EMC標(biāo)準也沒有規(guī)定發(fā)射限值或抗擾度測試等級,。它們?nèi)绾螆?zhí)行測量。通用EMC標(biāo)準和產(chǎn)品（系列）EMC標(biāo)準（例如CISPR / EN 55022/32和FCC）了限制和測試級別,，有關(guān)測試設(shè)置和方法規(guī)范,，請參閱Basic EMC出版物。
IT和多媒體設(shè)備的設(shè)計者必須在適用的150kHz至30MHz頻率范圍內(nèi)使用準峰值和平均信號檢測器來滿足傳導(dǎo)發(fā)射的EN 55022/32 A類和B類限制,。必須同時滿足準峰值和均值限制,。專為北美市場設(shè)計的產(chǎn)品必須符合FCC 15規(guī)定的等效限制。B類設(shè)置的傳導(dǎo)排放限值與CISPR 22和EN 55022/32中的限值相同,。
CISPR / EN 55022/32 A類和B類準峰值（QP）和平均（AVG）傳導(dǎo)發(fā)射限值（圖片：德州儀器（Texas Instruments））
IEC 61000基本EMC標(biāo)準由幾個部分組成,。常規(guī)（61000-1），環(huán)境（61000-2）,，限值（61000-3）,，測試和測量技術(shù)（61000-4），安裝指南（61000-5）,，通用標(biāo)準（61000-6）,，其他（61000-9）。
CISPR 1‐6基本EMC標(biāo)準包括四個部分：CISPR 16-1有六個子部分,，電壓,，電流和現(xiàn)場測量設(shè)備以及測試地點。這些包括測量設(shè)備的校準和驗證,。CISPR 16-2有五個子部分，規(guī)定了測量高頻EMC現(xiàn)象，應(yīng)對干擾和抗擾度的方法,。CISPR 16-3是IEC技術(shù)報告（TR）,，其中包含特定的技術(shù)報告和有關(guān)CISPR歷史的信息。CISPR 16-4包括五個子部分,，其中包含與不確定性,，統(tǒng)計數(shù)據(jù)和極限建模有關(guān)的信息。
傳導(dǎo)性EMI的主要非軍事通用/產(chǎn)品標(biāo)準摘要（圖片：德州儀器）
遏制EMI
控制EMI很重要,，原因有二：不符合上述EMI標(biāo)準的系統(tǒng)在許多市場都被禁止,，并且EMI過多會降低系統(tǒng)性能。EMI是一個多維問題,，有幾種途徑控制EMI,。如果使用可靠供應(yīng)商提供的板裝DC / DC轉(zhuǎn)換器，通常不會出現(xiàn)輻射發(fā)射和耦合發(fā)射問題,。但是,，轉(zhuǎn)換器的輸入端需要注意以較小化轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)發(fā)射連接到電源總線上，并處理可能對電源總線的瞬變敏感影響轉(zhuǎn)換器性能的可能性,。一些一般的注意事項包括：
電路設(shè)計：保持電流環(huán)路較小,，以大程度地減少導(dǎo)體通過感應(yīng)或輻射耦合能量的能力，并設(shè)計適當(dāng)?shù)碾娙萜骱驮O(shè)計中的其他組件以大程度地減少耦合,。此外,，使用將頻率展頻與開關(guān)頻率抖動相結(jié)合的板上安裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器，可以通過允許在任何一個相當(dāng)長的時間內(nèi)保持在任何一個頻率上發(fā)射,，從而有效地降低EMI,。
采用2x 2板載封裝的六側(cè)屏蔽60W隔離式DC / DC轉(zhuǎn)換器。圖片：RECOM
過濾器：將過濾器盡可能靠近轉(zhuǎn)換器,。旁路電容引線應(yīng)盡可能短,。在典型的板裝降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，輸入濾波通常是關(guān)鍵的,。功率MOSFET與輸出之間有一個電感,，至少在某種程度上減輕了EMI。但是,，輸入側(cè)的EMI會在整個系統(tǒng)中傳播,，因為它將由主電源總線承載。盡管輸入側(cè)關(guān)鍵,，但在考慮EMI時忽略輸出側(cè)并非明智之舉,。對于板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商，通常在數(shù)據(jù)表中列出滿足特定EMC / EMI標(biāo)準所需的外部組件,。
屏蔽：有一個經(jīng)驗法則,，當(dāng)頻率低于200MHz時,，接地可能是可行的解決方案，但是當(dāng)頻率高于200MHz時,，它會產(chǎn)生輻射,，解決方案就是屏蔽。對于電信,，過程控制,，廣播，工業(yè)以及測試和測量設(shè)備等應(yīng)用,，通常建議使用帶有六面金屬屏蔽的板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器來較大化EMC / EMI性能,。
歸根結(jié)底，EMC / EMI是系統(tǒng)級問題,。優(yōu)化板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的EMC / EMI性能是一個重要的考慮因素,，但是其他系統(tǒng)元素通常對EMC / EMI性能更重要。
三,、熱管理及熱分析
系統(tǒng)級熱設(shè)計對于DC / DC轉(zhuǎn)換器的電氣規(guī)格同樣重要,。越來越多的分布式電源架構(gòu)（DPA）使用增加了熱設(shè)計的復(fù)雜性。單個多路輸出AC / DC電源用于在常規(guī)電源架構(gòu)中為各種負載供電,。集中式電源的使用集中了電源轉(zhuǎn)換過程的散熱,，從而實現(xiàn)了直接的散熱設(shè)計。
在DPA中,，單輸出AC / DC電源產(chǎn)生相對較高的分配電壓（例如12VDC或48VDC）,，并通過多個非隔離式降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器為低壓負載供電。DPA體系結(jié)構(gòu)將功率轉(zhuǎn)換過程的散熱散布在整個系統(tǒng)中,，并使散熱設(shè)計復(fù)雜化,。使用DPA的好處是可以包括較小的總體解決方案尺寸，更高的效率和更低的成本,。
DC / DC轉(zhuǎn)換器選擇注意事項
效率通常被認為是重要的規(guī)范,。效率對熱管理有重大影響。因此,，使用高效的DC / DC轉(zhuǎn)換器非常重要,。但并不是那么簡單。效率通常是在滿載條件下的,，而DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會降額使用,，并且工作功率低于滿功率，以提高系統(tǒng)可靠性,。而且系統(tǒng)通常不會一直在大功率下運行,。事實證明，為給定應(yīng)用選擇高效的轉(zhuǎn)換器并不像初次看起來那樣簡單,。了解系統(tǒng)工作條件后,，設(shè)計人員可以選擇效率特性符合系統(tǒng)需求的DC / DC轉(zhuǎn)換器,。
此外，DPA中使用的降壓轉(zhuǎn)換器具有多種設(shè)計,，每種設(shè)計都有不同的效率權(quán)衡,。例如，在高負載下,，同步降壓轉(zhuǎn)換器比非同步降壓轉(zhuǎn)換器效率更高。但是選擇取決于系統(tǒng)的運行特性,。與同步設(shè)計相比,，非同步降壓在輕載條件下通常更為有效。在大量時間在低功率水平下運行且僅偶爾需要峰值功率的系統(tǒng)中,，非同步降壓可以提供更高的整體運行效率,。由于其設(shè)計更簡單，因此非同步降壓的成本更低,，并且更可靠,。
額定12V輸入和1.5V輸出的同步和非同步DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較。圖片：德州儀器（Texas Instruments）
在要求高效率的系統(tǒng)中,，新興的半導(dǎo)體材料（例如氮化鎵（GaN））的使用可以提供更高的效率和更小的尺寸,。GaN是一種寬帶隙材料，具有比傳統(tǒng)硅更高的導(dǎo)電性,。與硅器件相比,，GaN晶體管更小，具有相同導(dǎo)通電阻的較低電容,。零QRR可減少高頻損耗,。GaN的開關(guān)性能可實現(xiàn)更高的功率密度，更高的頻率,，更高的開關(guān)精度,，更高的總線電壓和更少的電壓轉(zhuǎn)換損耗。
硅與氮化鎵（GaN）的48V至12V DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率比較,。（圖片：EPC）
在散熱設(shè)計和散熱能力方面,，并非所有板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器都相同。有些在絕緣金屬基板上構(gòu)建,，以增強熱性能,。有些包含用于改善導(dǎo)熱性的散熱孔，有些則開始使用3D封裝,，該封裝使用堆疊的,，嵌入式的或平面的組件顯著減小尺寸。
減小物理尺寸不僅增加了功率密度,，而且減少了寄生效應(yīng)和較小的電流環(huán)路,，這意味著,，即使使用MHz的開關(guān)頻率，也可以將EMI控制好,。權(quán)衡使熱管理可能變得更加復(fù)雜,。DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體溫度性能在很大程度上取決于終應(yīng)用。
隨著不斷受限的電路板空間中性能的提高,，需要諸如3D電源封裝之類的技術(shù)進步來確保功耗不會迅速增加,。否則，性能極限將取決于溫度,，而不是設(shè)計的大功率,。圖片：RECOM
系統(tǒng)熱分布
熱量管理始于在設(shè)計階段通過系統(tǒng)熱分布圖測量工作溫度來識別發(fā)熱點和其他重點區(qū)域。對于特定的操作環(huán)境而言,，熱圖對于實現(xiàn)正確的熱管理系統(tǒng)設(shè)計是必需的,。它有助于確定系統(tǒng)運行期間需要監(jiān)視（測量）的區(qū)域。
如果使用紅外（IR）攝像機進行的熱成像表明一個或多個熱點PCB的溫度高于預(yù)期溫度,，這可能表明存在問題,。重要的是要考慮到靠近較高熱量附近的組件；他們可能會經(jīng)歷長期的老化影響,。為了檢測熱點,，需要足夠的幾何分辨率。只有通過足夠數(shù)量的像素才能很好分辨的細節(jié)以及正確測量,。因此,，高分辨率紅外攝像機系統(tǒng)是在系統(tǒng)開發(fā)過程中使用的不錯選擇。
在產(chǎn)品開發(fā)過程中,，通常將高分辨率紅外攝像頭系統(tǒng)用于熱成像,。圖片：InfraTec
與熱電偶或點測高溫計不同，高分辨率紅外熱像儀可以在系統(tǒng)和設(shè)備上獲取準確的溫度讀數(shù),。而且散熱設(shè)計并非一成不變,。在不斷變化的系統(tǒng)運行狀況下，整個系統(tǒng)的散熱通常會變化（有時會迅速變化）,。一些紅外熱像儀可以記錄高速數(shù)據(jù),，并具有表征快速熱瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱條件所需的靈敏度和空間分辨率。
監(jiān)控?zé)嵝阅?/span>
內(nèi)置熱關(guān)斷功能通常用于板裝DC / DC轉(zhuǎn)換器,，連續(xù)監(jiān)控轉(zhuǎn)換器的工作溫度通常非常有用,，以下是可用于熱監(jiān)控的組件的兩個示例。
熱敏電阻是隨溫度變化的電阻,，通常由導(dǎo)電材料制成,，例如金屬氧化物陶瓷或聚合物。常見的熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)（NTC）為負,，通常稱為NTC,。使用NTC需要信號調(diào)理,。熱敏電阻通常與分壓器中的固定值電阻器一起使用，其輸出使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行數(shù)字化,。
顯示熱敏電阻如何與ADC接口的基本電路,。電阻R1和熱敏電阻形成一個分壓器，其輸出電壓取決于溫度,。（圖片：Maxim）
溫度傳感器IC利用PN結(jié)的熱特性,。由于它們是使用常規(guī)半導(dǎo)體工藝構(gòu)建的有源電路，因此它們可以采用多種形式,，并具有多種功能（例如數(shù)字接口,，ADC輸入和風(fēng)扇控制功能）。溫度傳感器IC的工作溫度范圍從-55°C到+ 125°C,，一些器件的工作溫度上限約為+ 150°C。
四,、故障率及可靠性
板載DC / DC轉(zhuǎn)換器的可靠性對于理解和量化非常重要,。它是隨時間變化的系統(tǒng)或設(shè)備故障發(fā)生頻率的度量?？煽啃允怯^察到的故障率,，它定義為兩次故障之間的時間（以小時為單位），稱為平均故障間隔時間（MTBF）,，或者直到一次故障之間的時間（也以小時為單位）,，稱為平均故障間隔時間（MTTF）。有時,，可靠性是通過MTBF數(shù)字的倒數(shù)（基于109小時）來量化的,，稱為時間失敗單位（FIT）：FIT = 109 / MTBF。
每個設(shè)備都有一個故障率λ,，它是每單位時間發(fā)生故障的單元數(shù)——故障率在設(shè)備的整個生命周期中以可預(yù)測的方式變化,。當(dāng)繪制為故障率與時間的關(guān)系時，通常稱為可靠性浴盆曲線,。它顯示了早期故障率的總和,，以及產(chǎn)品整個生命周期中的恒定（隨機）故障率，再加上壽命終止時的磨損率,。
浴盆曲線用于說明觀察到的電子系統(tǒng)故障率,。圖片：維基百科
在產(chǎn)品壽命的主要階段，由于材料缺陷或制造錯誤（未在終測試和檢查中發(fā)現(xiàn)）而導(dǎo)致所謂的失效,，因此故障率不斷下降,，λ下降。板裝式DC / DC轉(zhuǎn)換器的大多數(shù)失效發(fā)生在運行的初24小時內(nèi),。
在電子產(chǎn)品中,，Arrhenius方程用于確定在給定溫度下工作組件的預(yù)計壽命,。它適用于化學(xué)方法，可測量與溫度有關(guān)的反應(yīng)速率,，并觀察到將溫度降低10°C將使產(chǎn)品可靠性提高一倍,。相反，提高工作溫度會加快電子設(shè)備的故障率,。
Arrhenius方程是電子設(shè)備和系統(tǒng)失效的理由,。例如，剛制造的DC / DC轉(zhuǎn)換器在老化室內(nèi)在滿負荷和高溫下運行約4小時,，可以消除許多早期失效現(xiàn)象,。通常使用40或50°C進行老化，有時會進一步使用較高的溫度和較高的濕度,。高可靠性DC / DC轉(zhuǎn)換器通常會進行24小時老化,。
在產(chǎn)品和系統(tǒng)開發(fā)過程中，用于高度加速壽命測試（HALT）和高度加速應(yīng)力篩選（HASS）的加速應(yīng)力測試系統(tǒng)會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的弱點,。執(zhí)行HALT和HASS可以大限度地提高實驗室效率,，同時降低與保修和召回相關(guān)的成本，從而提高產(chǎn)品可靠性,。HALT和HASS使用溫度和振動應(yīng)力來消除設(shè)計問題,，開發(fā)出更可靠的產(chǎn)品并篩除早期產(chǎn)品故障問題。HALT和HASS決定了產(chǎn)品的運行和破壞極限,，因為在對產(chǎn)品施加壓力的同時對其進行了功能測試并不斷監(jiān)測其故障,。
HALT和HASS測試箱用于產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品測試。圖片：Thermotron
在大多數(shù)DC / DC轉(zhuǎn)換器的使用周期中,，除了初始故障率之外,，它們會經(jīng)歷恒定的故障率λ，并且可靠性曲線基本上是平坦的,。恒定故障率持續(xù)的時間取決于各種因素,，例如應(yīng)用環(huán)境的固有應(yīng)力，所用組件的質(zhì)量,，DC / DC轉(zhuǎn)換器的制造質(zhì)量等等,。隨著在產(chǎn)品使用壽命到期時的磨損過程中，故障率會不斷提高,。
預(yù)測可靠性
預(yù)測可靠性的兩個常用的工具是MIL-HDBK-217和Telcordia可靠性預(yù)測程序SR-332,。這些和其他可靠性預(yù)測部分基于Arrhenius方程。MIL-HDBK-217初是由美國開發(fā)的,，可產(chǎn)生MTBF和MTTF數(shù)據(jù),，而Telcordia SR-332是為電信行業(yè)開發(fā)的，可產(chǎn)生FIT數(shù)據(jù)。當(dāng)前,，MIL-HDBK-217是使用廣泛的可靠性計算方法,。
可以使用零件計數(shù)分析（PCA），零件應(yīng)力分析（PSA）或通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明,，通過幾種方式預(yù)測和量化可靠性,。這些量化可靠性的方法中的每一種對于電力系統(tǒng)設(shè)計人員都有特定的用途。PCA需要少的數(shù)據(jù),，通常在產(chǎn)品開發(fā)過程中使用,。PCA分析僅根據(jù)物料清單和預(yù)期用途得出估算的產(chǎn)品故障率λP，從而可以計算仍在設(shè)計的產(chǎn)品的MTBF：λP=（ΣNCλC）（1 + 0.2πE）πFπQπL（公式來源：RECOM）
其中：
NC =零件數(shù)（每種組件類型）
λC=從數(shù)據(jù)庫中獲取的每個零件的故障率
πE=特定于應(yīng)用的環(huán)境壓力因子
πF=混合函數(shù)應(yīng)力c通過組件交互
πQ=標(biāo)準零件或預(yù)篩選零件的篩選水平
πL=成熟因子是經(jīng)過驗證的設(shè)計還是新方法
為使用的每個組件計算PCA,，并通過將所有單個預(yù)測相加得出總可靠性預(yù)測,。
用于簡單DC / DC轉(zhuǎn)換器的PCA可靠性分析。（表：RECOM）
MIL-HDBK-217F PSA方法基于曲線擬合從現(xiàn)場操作和測試獲得的經(jīng)驗數(shù)據(jù),，提供恒定故障率模型,。像PCA分析一樣，PSA模型具有恒定的基本故障率,，該故障率由環(huán)境,，溫度，應(yīng)力,，質(zhì)量和其他因素決定。但是PSA方法假定沒有對一般恒定故障率的修正,。盡管它廣泛適用于板載DC / DC轉(zhuǎn)換器等器件,，但MIL-HDBK-217方法初旨在提供零件的結(jié)果，而不是設(shè)備或子系統(tǒng)的結(jié)果,。
MIL-HDBK-217和Telcordia SR-332的主要概念相似,，但是Telcordia SR-332還具有合并老化、現(xiàn)場和實驗室測試數(shù)據(jù)的能力,，可用于貝葉斯分析方法,。貝葉斯推斷是一種統(tǒng)計推斷的方法，其中隨著更多證據(jù)或信息的獲得,，貝葉斯被用于更新假設(shè)的概率,。
系統(tǒng)設(shè)計注意事項
DC / DC轉(zhuǎn)換器故障率分析的重點是工作溫度，輸入電壓和輸出功率,，以估算整體應(yīng)力,。良好的熱管理是使用板上安裝的DC / DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計可靠系統(tǒng)的重要方面。良好的熱管理始于了解轉(zhuǎn)換器的效率如何影響系統(tǒng)性能,。采用更高限額的產(chǎn)品始終是一個好習(xí)慣,。標(biāo)稱性能規(guī)格并非始終是選擇。與其查看典型額定值,，不如查看情況的額定值,，特別是為了提高效率,，通常是一個不錯的起點。
用諸如上圖所示的管腳兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器可顯著提高效率,，減少熱量并有助于提高可靠性,。圖片：RECOM
效率通常是在25°C時的，但對于在較高溫度下運行的系統(tǒng)來說是很常見的,。隨著溫度升高,，功率半導(dǎo)體和電路板走線的損耗會增加。銅的溫度系數(shù)為+ 0.393％/°C,。如果溫度比室溫高1°C,，電阻將增加0.393％。轉(zhuǎn)換器效率隨輸入電壓而變化,，并隨輸入與標(biāo)稱電壓的變化而降低,。
結(jié)果，在系統(tǒng)開發(fā)過程中進行熱成像對于識別熱點和其他關(guān)注區(qū)域是必要的,。通過熱映射,，可以針對特定的操作環(huán)境設(shè)計正確的熱管理系統(tǒng)。它有助于確定系統(tǒng)運行期間需要監(jiān)視（測量）的區(qū)域,。熱映射還可以識別點熱源,，例如線性穩(wěn)壓器，可能需要用效率更高的板載DC / DC轉(zhuǎn)換器（例如,，開關(guān)穩(wěn)壓器）代替,。
盡管熱管理是主要考慮因素，但不應(yīng)忽視輸入電壓的特性,。在臨界值的高線或低線下長時間運行會降低可靠性,，而輸入端的浪涌，尖峰和靜電放電（ESD）也會降低產(chǎn)品性能和壽命,。在轉(zhuǎn)換器的輸入端使用保護裝置可以大大提高系統(tǒng)的可靠性,。
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