一、序(xu)言(yan)

     DC-DC模(mo)(mo)塊(kuai)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)越來越多的(de)應用于(yu)通信、工業(ye)自動(dong)化、電(dian)(dian)(dian)(dian)力控制、軌(gui)道(dao)交通、礦業(ye)、軍工等(deng)行業(ye)。而模(mo)(mo)塊(kuai)化的(de)設(she)計(ji)，可(ke)(ke)以有(you)效的(de)簡化客戶(hu)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)路設(she)計(ji)，提升(sheng)系統(tong)的(de)可(ke)(ke)靠性和維護效率。那么，如(ru)何提升(sheng)基于(yu)DC-DC模(mo)(mo)塊(kuai)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)系統(tong)的(de)可(ke)(ke)靠性？我們大(da)部(bu)分時候(hou)想到的(de)是選擇(ze)一家品牌好的(de)供應商提供高(gao)可(ke)(ke)靠的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)模(mo)(mo)塊(kuai)。然而，選擇(ze)一款高(gao)可(ke)(ke)靠的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)模(mo)(mo)塊(kuai)，是否就(jiu)意(yi)味著我們的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)系統(tong)非常可(ke)(ke)靠呢？本文就(jiu)這個主題作簡要分析與探(tan)討。

     關(guan)鍵詞：電源應用設計、DC-DC模塊電源、可(ke)靠(kao)性

 二、為什么需(xu)要DC-DC模塊電源？

     DC-DC隔(ge)離模(mo)塊電(dian)源(yuan)主(zhu)要應用于分布(bu)式電(dian)源(yuan)系(xi)統中，用以(yi)對電(dian)源(yuan)系(xi)統實現(xian)隔(ge)離降低噪聲、電(dian)壓轉(zhuan)換、穩壓和保(bao)護功能。使用DC-DC隔(ge)離模(mo)塊電(dian)源(yuan)的四大作用如下：

　　其(qi)一，模(mo)(mo)塊電源采(cai)用隔(ge)離式設(she)計，可(ke)以(yi)有效的隔(ge)離來自一次(ci)側設(she)備帶來的共模(mo)(mo)干擾對(dui)系統的影響，使負(fu)載(zai)能夠穩定的工作。

　　其二，不(bu)同的負(fu)載需要不(bu)同的供(gong)電電壓，例(li)如控(kong)制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信號采集用的運放(fang)則需要±15V；繼電器則需要12V，24V。而母線(xian)電壓多為24V，因(yin)此(ci)需要進行電壓轉換。

　　其三，母(mu)線電(dian)壓(ya)在(zai)長距離傳輸(shu)過程中會存(cun)在(zai)線損，故到(dao)PCB板(ban)級時電(dian)壓(ya)較低，而(er)負載(zai)需要(yao)穩(wen)(wen)定的電(dian)壓(ya)，因此(ci)需要(yao)寬壓(ya)輸(shu)入，穩(wen)(wen)壓(ya)輸(shu)出。

　　其四，電源需要(yao)在異(yi)常情況下，保護系統的負載和(he)本身不壞。

　　那么(me)，如何選(xuan)擇DC-DC模塊電源？

 三(san)、如何(he)選(xuan)擇高可靠(kao)性的DC-DC模(mo)塊電源(yuan)

1. 采用(yong)成熟(shu)的電源拓撲

     電(dian)源模塊(kuai)的設計盡量選用成熟的電(dian)源拓撲(pu)，這些拓撲(pu)已經經過時間的考(kao)驗，成熟可(ke)靠。例如1-2W的定壓(ya)輸入DC-DC電(dian)源模塊(kuai)選擇Royer電(dian)路，而寬壓(ya)輸入系列則多選Flyback拓撲(pu)，部分Forward拓撲(pu)。

2. 全負(fu)載范圍內高(gao)效率(lv)

     高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)意味著更低的(de)(de)功率(lv)損失和更低的(de)(de)溫升，可(ke)(ke)(ke)以有(you)效(xiao)(xiao)提高(gao)可(ke)(ke)(ke)靠性。在(zai)實際應用中，電(dian)源都會選擇(ze)一定程度的(de)(de)降額設計，特別是在(zai)負(fu)載(zai)IC的(de)(de)功耗越來越低的(de)(de)今(jin)天(tian)，電(dian)源大部(bu)分時候都有(you)可(ke)(ke)(ke)能在(zai)輕載(zai)情況下(xia)工作。因此(ci)，全負(fu)載(zai)范圍(wei)內高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)對(dui)于電(dian)源系統可(ke)(ke)(ke)靠性來說(shuo)是非常關鍵的(de)(de)參數，但往往被電(dian)源廠商忽略。大部(bu)分廠商為了技(ji)術手冊上的(de)(de)參數吸(xi)引客戶，往往將滿(man)載(zai)效(xiao)(xiao)率(lv)做到較(jiao)高(gao)，但在(zai)5%-50%的(de)(de)負(fu)載(zai)情況下(xia)效(xiao)(xiao)率(lv)較(jiao)低。

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性能是電子系統正常、安全工作的保證，目前電子行業對產品的EMC性能都提出了很高的要求，我們經常遇到客戶抱怨因EMC處理不好導致系統的復位重啟甚至是早期失效，因此優良的EMC特性是電源模塊核心競爭力。 

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
     工業級的電源模塊的損壞大約有15%是因為散熱不良導致的，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發展，但是很多應用場合電源是處于密閉的環境中連續工作的，如果積熱無法散出去，電源內部的器件可能因為超過熱應力而損壞。通常的散熱方式有自然風冷、散熱片散熱和加強制性散熱風扇等。熱設計的幾點經驗分享如下：

(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。 
     另外一個設計師需注意的是，需要關注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統工作頻率的倍頻錯開，避開相互之間的系統匹配性問題。 

五、小結 
     DC-DC電源模塊的可靠應用需要電源原廠提供高品質電源，同時也需要設計工程師合理的應用設計，只有從設計和應用雙向考慮才能最終獲得可靠的電源系統。