任何電氣或電子系統可靠性的關鍵是在需要時就有電可使用，但推動電源模塊或子系統實現最終穩健性依靠是多年對故障物理學以及將這些知識經過大量試誤，然后應用在電源設計上。如果一個設計不能被經濟實惠地制造出來，那么再好的設計也毫無價值，因此要將如何實踐可靠的設計與最終解決方案的驗證和大量生產要素全部聯系起來，這對于理解關鍵系統性能與電源解決方案工程的眾多因素之間的關聯是必不可少的。

電源解決方案如何影響系統可靠性？

電源解決方案以多種方式影響系統可靠性，有些方式比其他方式更明顯。首先，系統通常需要啟動才能正常運行，加上電子或電氣系統在沒有電源的情況下也無法工作，因此僅僅是能夠啟動就是可靠性的核心衡量標準。當然，這也是許多人會先想到的地方。除了啟動運作之外，系統的性能還與電源的質量有關。換句話說，必須滿足每個系統電壓軌的特性和規范才能被認為是可接受的質量，這樣才能滿足負載的需求，從而保證電源質量不會抑制負載性能。電源的電壓調節能力（有不同的輸入電壓或輸出負載的變化）、在不影響電源穩定性或超過可接受的限度的情況下可以適應怎樣的瞬態或負載階躍、輸出電壓升高的速度或平穩度，以及需要滿足哪些安全法規或標準才能獲得合法運輸產品所需的報告或認證，這些都跟電源質量有關。

綜上所述，電源調節不但適用于輸入也適用于輸出。即使輸出端圓滿完成工作，反射回輸入端的噪聲也會影響共享同一線路或總線的其他設備。如果這種交叉干擾在許多單元和系統之間擴展，影響甚至會對設施的可靠性或穩定性產生不利影響。AC/DC 電源的功率因數校正 (PFC) 或最大總諧波失真 (THD) 水平是為了解決這一現象，但與終端系統的性能無關。

由于電氣系統所有部分都要有電才能運行，因此許多機電組件將電源與負載在物理上連接，這往往是常見的故障點，成為系統可靠性的優化瓶頸。在對電源解決方案進行故障分析時，連接器、線束、電線和焊點通常是要先被調查的罪魁禍首。任何可以物理移動的東西都歸在此類，例如開關和風扇。

濾波器組件是電源物料清單 (BOM) 所關注的另一個主要項目，即電容器、變壓器和電感器等儲能設備。電容器的可靠性通常取決于電解質材料的狀態，電解質材料通常為液態，會隨著時間的推移以及溫度和電應力（即紋波）的變化而蒸發甚至脫氣。除了溫度和電應力（磁芯飽和）以外，磁性組件的結構本就復雜而且若是人工組裝而成，這些都可能成為可靠性弱點。

檢視所有電源和系統重迭的重點項目也是一個很好的開始，來減輕每個項目的相關風險。除了將這些內容列出以外，此練習還提供了一些很好的線索，提醒在不斷追求提高系統可靠性的過程中要將設計和驗證重點放在何處。系統可靠性可以用許多不同的方式表示，這些方式通常透過檢視上述可靠性瓶頸的故障統計數據來計算并預測壽命或失效（參見「平均故障間隔時間」(MTBF) 和「平均故障時間」(MTTF))。

促成電源解決方案設計和制造方法可靠性的關鍵因素

考慮到典型電源必要的元素，再看到這些強大的子系統有大量定制 BOM、多種機電組件和高功率密度，在被安全且重復制造的同時還能保持最高良率，似乎是個奇跡。即使是看起來相對簡單的電源解決方案也是經過多年的艱苦努力，一路從原材料采購到最后的報廢 (EOL) 處理，不斷從試錯中吸取教訓并優化流程。

在設計階段，大多數有經驗的電源設計師都會參考某種降額指南，對于應該使用多少余量以利用特定組件或設計系統所提出建議。換句話說，對于任何特定品質因數 (FOM)，應該要將項目額定最大規格降低多少來計算最大應力和預期性能？這適用于組件的額定電壓或電流、外部環境溫度或機械應力等物理屬性的所有品質因數。通常來說，安全工作極限是由多項品質因數決定，例如半導體工作到最大結溫限制，可能與通道電流直接相關。降額指南或標準往往是根據大量經驗和數據，而這些也是根據所需的特定組件、材料和應用而來。遵循一些規則可以讓沒有多年經驗的新手設計師透過指南做出明智的決定。

故障物理學的歷史基礎和研究有點超出本篇文章的范圍，但還是可以簡單介紹設計人員在這方面可能會運用到的分析。上一節中引用的統計學算法通常會采用 Arrhenius 方程的某些變體，該方程計算化學反應速率常數隨溫度變化的關系，組件在整個生命周期中觀察到的能量表現出足夠的熱應力時可預測到惡化到某個閾值會發生故障。將這些性能或故障預測與上述根據大量經驗和數據的指南互相結合而產生的過程文件，這些高質量的電源設計資源將被謹慎開發、維護和執行，其中可能包括質量管理系統 (QMS) 或其他過程控制和數據捕獲框架。若要確定特定資源的質量，最快的方法是找出所使用的標準、認證或流程的種類；請參考普遍認可的 ISO 9001 標準。

對于電源解決方案的設計和操作來說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雜的結構而成為常見的故障點之外（更別提電磁兼容性或 EMC），許多認真的電源設計師會需要投入大量精力來優化變壓器和電感器的材料和設計（電氣和機械上的優化）。變壓器的構造不僅對性能至關重要，而且透過電流隔離用戶或負載以避免不安全電壓帶來的危害，可能是確保電源解決方案（以及最終系統）安全的第一道防線。這些組件本身具有額外的負擔因為它們通常是系統里最大的，無論是尺寸或質量。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，因為要確保它們承受高于系統預期的最大沖擊和振動應力時仍保持安穩。

一個解決方案的成功與否，取決于用來評估設計性能和最大限制的測試方式和驗證框架。當然大部分的系統設計人員都會經過某種程度的設計驗證測試（DVT，又名平臺測試），但將被測單元 (UUT) 放在精心設計的實驗中，系統性地進行故障測試（尤其是達到斷點）可以將一個好的、可接受的設計與一個優秀的、高度可靠的設計區分開來。這一系列的測試屬于「高度加速」，因為它們模擬系統在整個生命周期中可能遇到的極端壓力，在更合理的開發時間（以數周或數月代表使用多年）內發現故障機制。這些類型的測試還可能在實驗室環境中施加電、熱和機械應力，而這些應力測試若要在相對簡單的測試平臺上執行是無法做到的甚至是不安全的。其他類似的測試包括高加速壽命測試 (HALT) 以在設計階段將原型推向極限，或是高加速應力篩選或稽核(HASS/HASA) 不斷從生產中抽樣并定期對它們進行加速壽命測試來確保產品的可靠性。

現代電源解決方案如何提高系統可靠性？

電源解決方案與整體系統可靠性相關的關鍵故障點已經有許多討論，電源解決方案專家通常采取的方式是根據故障物理學來分析此類瓶頸以進行相應的設計。若要進一步強化制造和組裝方法，也許更深入研究電源設計和制造的細節是有用的。

由于機電組件是系統公認的最常見的弱點，因此解決方法顯然是單純地消除這些組件，但這說起來容易做起來難。光是知道風扇體積龐大且容易出現機械故障并不意味著組件無法保持足夠低溫以在沒有風扇的情況下正常運行，因此利用其他熱緩解的技術（即散熱、均熱），結合智能電源管理技術降低功耗，就可能讓一個需要使用風扇進行強制冷卻的系統與另一個可以通過輻射或自然對流冷卻的系統之間存在決定性的不同。事實上，任何可以提高電源解決方案的整體功能轉換效率的事物都會增加這一價值主張，例如寬帶隙 (WBG) 半導體或降低電容器紋波，因為效率與解決方案的功耗成反比。

用表面貼裝 (SM) 焊盤取代通孔 (TH) 引腳是電源解決方案的趨勢，并且只是近年來眾多先進封裝的其中一種。雖然表面貼裝本身并不是什么新技術，但將高電流或熱負載更直接地從封裝引線框架和半導體組件轉移到外部印刷電路板 (PCB) 和散熱器或均熱片的能力已經取得了很大進步，特別是借助三維電源封裝(3DPPR) 技術。更清潔的連接方法也促使使用更高階的焊接標準，例如 IPC-610，因為焊點通常是質量經理和負責調試現場問題的人的痛點。

先前已討論過要盡可能將人工繞線的方式轉為自動化過程，特別是磁性組件。現代封裝和異質集成技術透過結合平面磁體而變得更加進步。將磁體繞組合并到 PCB 經過精心配置的迭加走線（通常是在同一個板子上面放置其他系統組件），然后將磁體或磁芯材料在走線周圍封閉起來以形成磁性結構。這樣做會帶來一系列優勢，從減小尺寸到實現有嚴格公差的極復雜幾何形狀，還能減少使用不那么可靠的組件并推動規模經濟和自動化生產。平面磁體還可以促進改進印刷電路組件 (PCA) 的三防膠或氣密密封技術以防止環境因素影響系統可靠性，例如灰塵、濕氣以及空氣中的導電粒子。

在電源解決方案的推動下，即使是日益復雜的組件，制造流程和組件跟蹤文件的改進，讓系統可靠性有了幾乎是不可預期的長足進展。改善的可追溯性和全球對原材料人道采購的關注使得我們不僅能夠追蹤電源每個組件的批次或制造日期溯源，甚至還能追溯到材料是來自于哪個國家或礦產，所有信息皆可通過電源序列號查詢。這種級別的跟蹤和可追溯性來自多年的文書工作和數據庫，從文件柜里的文件演變為獨一無二的數字 ID，因此一個組件可以追溯到零件配套、封裝、測試、裝運甚至是現場應用。這些進步的文件管制流程除了對能夠順利從產線生產出來的組件很重要，對于管制重工組件或PCA的質量也很有貢獻。若能溯源，曾經因為無法追溯而無法調查出原因的謎團就能夠進行失效分析找出根本原因并持續優化系統可靠性。不然如何知道只是為了產線操作員短期便利而讓PCB在錯誤的焊料回流爐中經歷了不受支持的熱曲線？

結論

任何系統的強度都取決于最弱的弱點，而電源在提高系統可靠性上面臨了大量的潛在瓶頸。畢竟就零件數量和設計復雜性而言，電源解決方案與任何其他子系統或組件一樣具有挑戰性，甚至可以跟整個系統設計媲美。意識并內化這一點可以將這些弱點變成世界上最強大、最可靠的系統（甚至是太空應用，那里可沒有保修退貨和維修）。

幾十年來，人們對電源解決方案中的故障物理原理進行了非常深入的研究，因此設計人員現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和應用，但應注意的是即使是為一個市場或垂直市場量身定制的，它仍然可以很容易取得（例如便宜）且適合其他的市場。例如，像 IPC-9592B 這樣的標準降額指南和加速壽命測試是針對大型計算機和電信系統而制定的，但它們也可促進可靠且負擔得起的消費產品開發。MIL-HDBK-217 和 MIL-HDBK-338B 等標準是為軍事用途建立的，但也可用在其他高可靠性的應用上。

注意：一定要注意一些內容的日期，自己深入研究有哪些內容適用于特定的應用，因為有些可能已經過時。此外，請注意指南所參考的文獻和背景信息，以確保任何數據或假設適用于當前應用。

幸運的是，現今的設計人員有非常可靠的直接替代解決方案，不僅外形尺寸良好還與各種制造流程兼容。先進的封裝和 3DPP 技術在利用先進 (SOTA) 商用現成(COTS) 的電源子系統時，也為系統設計人員提供集成電源解決方案所帶來的優勢和堅固性。

審核編輯：湯梓紅