一、序言(yan)

     DC-DC模(mo)塊(kuai)電源越來越多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用于(yu)通信、工業自(zi)動化(hua)(hua)、電力(li)控制、軌道交(jiao)通、礦業、軍工等(deng)行業。而(er)模(mo)塊(kuai)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設計(ji)，可(ke)以(yi)有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)簡化(hua)(hua)客戶(hu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電路(lu)設計(ji)，提升(sheng)系統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)靠(kao)性和(he)維護(hu)效(xiao)率(lv)。那么，如何提升(sheng)基(ji)于(yu)DC-DC模(mo)塊(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電源系統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)靠(kao)性？我們大部分時候(hou)想到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)選擇一家品牌好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)供(gong)應商提供(gong)高可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電源模(mo)塊(kuai)。然而(er)，選擇一款高可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電源模(mo)塊(kuai)，是(shi)(shi)否就(jiu)意味著我們的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電源系統非常可(ke)靠(kao)呢？本文就(jiu)這個主(zhu)題作簡要分析與探(tan)討。

     關(guan)鍵(jian)詞：電源應用設計、DC-DC模(mo)塊電源、可靠(kao)性

 二、為什(shen)么需要DC-DC模塊電源？

     DC-DC隔離(li)模塊(kuai)電(dian)(dian)源主要應用(yong)于分布(bu)式(shi)電(dian)(dian)源系統(tong)中(zhong)，用(yong)以(yi)對(dui)電(dian)(dian)源系統(tong)實現隔離(li)降低噪聲、電(dian)(dian)壓(ya)轉換、穩壓(ya)和保護功能。使用(yong)DC-DC隔離(li)模塊(kuai)電(dian)(dian)源的四大作用(yong)如下：

　　其一，模(mo)塊電源采(cai)用隔(ge)離(li)式設計，可以有(you)效的(de)(de)隔(ge)離(li)來(lai)自一次側設備(bei)帶來(lai)的(de)(de)共模(mo)干擾對系統的(de)(de)影(ying)響，使負載能夠穩定的(de)(de)工作(zuo)。

　　其二，不同(tong)的(de)負(fu)載需(xu)(xu)要(yao)(yao)不同(tong)的(de)供電(dian)電(dian)壓(ya)，例如控(kong)制IC需(xu)(xu)要(yao)(yao)5V、3.3V、1.8V等；信(xin)號采集用(yong)的(de)運放(fang)則需(xu)(xu)要(yao)(yao)±15V；繼電(dian)器(qi)則需(xu)(xu)要(yao)(yao)12V，24V。而(er)母線電(dian)壓(ya)多(duo)為(wei)24V，因此需(xu)(xu)要(yao)(yao)進行(xing)電(dian)壓(ya)轉換。

　　其三，母(mu)線電壓(ya)(ya)在長距離(li)傳輸過程中(zhong)會存在線損，故到PCB板級時電壓(ya)(ya)較低(di)，而負載(zai)需要穩定的電壓(ya)(ya)，因此需要寬(kuan)壓(ya)(ya)輸入，穩壓(ya)(ya)輸出(chu)。

　　其四，電源需要(yao)在異(yi)常情況下，保護(hu)系統的(de)負載和本身不壞。

　　那(nei)么(me)，如何選擇DC-DC模塊電源？

 三、如何選擇高可靠性的DC-DC模(mo)塊電源

1. 采(cai)用成熟的電源拓(tuo)撲

     電源模塊的(de)設計盡量選用成熟的(de)電源拓撲(pu)(pu)，這些(xie)拓撲(pu)(pu)已經經過時間(jian)的(de)考驗，成熟可靠。例如1-2W的(de)定壓輸(shu)入DC-DC電源模塊選擇Royer電路，而寬(kuan)壓輸(shu)入系列則多(duo)選Flyback拓撲(pu)(pu)，部分Forward拓撲(pu)(pu)。

2. 全負(fu)載范(fan)圍內高(gao)效率

     高(gao)效(xiao)率(lv)意味著更低(di)(di)的功(gong)率(lv)損失和更低(di)(di)的溫升，可(ke)以有(you)效(xiao)提高(gao)可(ke)靠(kao)性。在實際(ji)應(ying)用(yong)中，電(dian)源(yuan)都(dou)(dou)會選擇一定程度(du)的降額設計，特(te)別是在負(fu)載IC的功(gong)耗越來(lai)越低(di)(di)的今天(tian)，電(dian)源(yuan)大部分時候都(dou)(dou)有(you)可(ke)能在輕載情(qing)況(kuang)下(xia)工作。因(yin)此，全負(fu)載范圍內高(gao)效(xiao)率(lv)對于電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性來(lai)說是非常關(guan)鍵的參數(shu)，但(dan)往往被電(dian)源(yuan)廠(chang)商忽略。大部分廠(chang)商為了技(ji)術手(shou)冊(ce)上的參數(shu)吸引客(ke)戶，往往將滿(man)載效(xiao)率(lv)做(zuo)到較高(gao)，但(dan)在5%-50%的負(fu)載情(qing)況(kuang)下(xia)效(xiao)率(lv)較低(di)(di)。

3. 極限溫度特性 
     電源模塊應用的地理區域非常寬廣，可能有熱帶的酷暑也有類似俄羅斯冬天的嚴寒。因此要求DC-DC模塊的工作溫度范圍最低要求為-40度~85度。如果在汽車BMS、高壓母線監測應用，則需要工作溫度為-40度~125度。 
     極限溫度試驗是最能檢驗電源模塊可靠性的方法，例如高溫老化、高溫&低溫帶電工作性能測試、高低溫循環沖擊試驗和長時間高溫高濕測試等。正規的電源開發都會經過以上測試。因此，是否有此類測試設備也成為了判斷電源廠商是否為山寨廠商的依據。 
4. 高隔離、低隔離電容 
     醫療產品要求極低的漏電流，電力電子產品需要原邊和次級之間盡量少寄生電容。這兩個行業有一個共性的需求，即要求盡量高的隔離耐壓，和盡量低的隔離電容，用以降低共模干擾對系統的影響。如果在醫療或電力電子應用，1-2W DC-DC建議選取隔離電容低于10pF左右的電源模塊，寬壓產品則盡量選取低于150pF的電源模塊。 
5. EMC特性 
     EMC性(xing)能是(shi)電子系(xi)統正常、安(an)全工作(zuo)的(de)保證，目前(qian)電子行業對(dui)產品的(de)EMC性(xing)能都提出了很高的(de)要求(qiu)，我們(men)經常遇到(dao)客戶抱(bao)怨(yuan)因EMC處理不好導致系(xi)統的(de)復位(wei)重啟甚至是(shi)早期失效，因此優良的(de)EMC特性(xing)是(shi)電源模塊核心競(jing)爭力。 

四、電源系統應用設計的可靠性 
     電源本身的可靠性固然重要，但是實際上，由于電源系統工作環境的復雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統應用設計，最終電源還是會失效。下面介紹幾種常見的電源系統應用設計的方法和注意事項。 
1. 冗余設計技巧 
     在可靠性要求高的場合，要求電源模塊即使損壞，系統也不能斷電。此時，我們可以采取冗余供電的方式來提升系統的可靠性。當一個電源模塊損壞時，另外一個模塊可以繼續供電。
2. 降額設計 
     眾所周知，降額設計可以有效提高電源工作壽命，但是負載過輕使用，電源的性能又無法工作在最佳狀態。 例如，金升陽DC-DC模塊電源建議在負載范圍30%~80%內使用，此時各方面性能表現最佳。 
3. 合理外圍防護設計 
     電源模塊應用行業非常多，應用的環境要求也不近相同，因為其通用性設計，DC-DC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當客戶的應用環境要求苛刻時，需要加適當的外圍電路來提升電源的可靠性。 
     因而合理的外圍電路設計可以使模塊滿足更高等級的技術規格，使之適應更惡劣的應用環境，提升電源模塊的可靠性。 
4. 散熱設計
     工業級的(de)(de)(de)電(dian)源(yuan)模塊的(de)(de)(de)損壞大約有(you)15%是因為(wei)散(san)(san)熱不良(liang)導致(zhi)的(de)(de)(de)，電(dian)源(yuan)模塊是朝著小型化和(he)集(ji)成化方(fang)向(xiang)發展(zhan)，但是很多應用(yong)場合(he)電(dian)源(yuan)是處于密閉的(de)(de)(de)環境(jing)中(zhong)連續(xu)工作的(de)(de)(de)，如果積熱無(wu)法散(san)(san)出去，電(dian)源(yuan)內部的(de)(de)(de)器件可能因為(wei)超(chao)過(guo)熱應力而(er)損壞。通(tong)常的(de)(de)(de)散(san)(san)熱方(fang)式有(you)自然風(feng)冷、散(san)(san)熱片散(san)(san)熱和(he)加強(qiang)制性散(san)(san)熱風(feng)扇等。熱設(she)計(ji)的(de)(de)(de)幾點經(jing)驗分享如下：

(1) 電源模塊的對流通風
     對于依靠自然對流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環境一定要便于對流通風，且周圍無大器件遮擋，便于空氣流通。 
(2) 發熱器件的放置
     如果系統中擁有多個發熱源例如多個電源模塊，相互之間應盡量遠離，避免相互之間熱輻射傳遞導致電源模塊過熱。 
(3) 合理的PCB板設計
     PCB板提供了一種散熱途徑，在設計時就要多考慮散熱途徑。例如加大主回路的銅皮面積，降低PCB板上元器件的密度等，改善模塊的散熱面積和散熱通道，例如電源模塊應盡量垂直放置如圖4，可以使熱量盡快向上散發；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發的熱量會被PCB阻擋，導致產品積熱無法散發出去。 
(4) 更大封裝尺寸和散熱面積
同樣功率的電源，如果可能盡量選擇尺寸更大的封裝和散熱面更大的散熱器，或者使用導熱膠將電源模塊外殼與機殼連接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積，散熱會更快，內部的溫度會更低，電源的可靠性自然也就越高。
5. 匹配性設計、安規設計 
     電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環路天線吸引外界輻射干擾。同時輸入線和輸出線需要按照UL60950的安規要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止布線，特別是信號線，電源變壓器的電磁線會對信號形成干擾。 
     另外(wai)一個設計(ji)師需(xu)注意的是，需(xu)要關注一次(ci)電(dian)(dian)源(yuan)和二次(ci)電(dian)(dian)源(yuan)之間(jian)，以及電(dian)(dian)源(yuan)與系(xi)統工(gong)作頻率的倍頻錯開(kai)，避開(kai)相互之間(jian)的系(xi)統匹配性問(wen)題。 

五、小結 
     DC-DC電(dian)源模塊(kuai)的可靠應(ying)(ying)用(yong)(yong)需要(yao)電(dian)源原廠提供高品質電(dian)源，同時也需要(yao)設(she)計工程(cheng)師合理(li)的應(ying)(ying)用(yong)(yong)設(she)計，只(zhi)有從設(she)計和應(ying)(ying)用(yong)(yong)雙向考慮才能最終獲得可靠的電(dian)源系統。