一、序(xu)言

     DC-DC模(mo)塊電(dian)(dian)(dian)源越來越多的(de)應用于通信、工(gong)業(ye)自(zi)動化(hua)、電(dian)(dian)(dian)力控制(zhi)、軌道(dao)交通、礦(kuang)業(ye)、軍工(gong)等行業(ye)。而模(mo)塊化(hua)的(de)設計，可(ke)以有效(xiao)的(de)簡化(hua)客戶的(de)電(dian)(dian)(dian)路設計，提升系統的(de)可(ke)靠(kao)性和維護效(xiao)率。那么，如何提升基(ji)于DC-DC模(mo)塊的(de)電(dian)(dian)(dian)源系統的(de)可(ke)靠(kao)性？我們(men)大部分(fen)(fen)時(shi)候想到(dao)的(de)是選擇一(yi)家品牌好的(de)供應商提供高(gao)可(ke)靠(kao)的(de)電(dian)(dian)(dian)源模(mo)塊。然(ran)而，選擇一(yi)款高(gao)可(ke)靠(kao)的(de)電(dian)(dian)(dian)源模(mo)塊，是否就(jiu)意(yi)味著(zhu)我們(men)的(de)電(dian)(dian)(dian)源系統非常可(ke)靠(kao)呢？本(ben)文就(jiu)這個主題作(zuo)簡要分(fen)(fen)析與探討。

     關鍵詞：電源(yuan)應(ying)用(yong)設計、DC-DC模(mo)塊電源(yuan)、可靠性

 二、為什么需要DC-DC模(mo)塊電(dian)源？

     DC-DC隔離(li)模塊(kuai)電(dian)源(yuan)(yuan)主要應用(yong)于分(fen)布式電(dian)源(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)中(zhong)，用(yong)以(yi)對(dui)電(dian)源(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)實(shi)現隔離(li)降低噪(zao)聲、電(dian)壓轉換、穩壓和保護功能。使(shi)用(yong)DC-DC隔離(li)模塊(kuai)電(dian)源(yuan)(yuan)的四大(da)作用(yong)如下：

　　其一，模塊電源采用隔(ge)離(li)式(shi)設(she)計，可以有效的隔(ge)離(li)來自(zi)一次側設(she)備帶來的共模干擾(rao)對系統的影響，使(shi)負載能夠穩定的工(gong)作。

　　其二，不同的負載需(xu)要(yao)(yao)(yao)不同的供電(dian)電(dian)壓，例如控制IC需(xu)要(yao)(yao)(yao)5V、3.3V、1.8V等(deng)；信(xin)號采集(ji)用的運(yun)放則(ze)需(xu)要(yao)(yao)(yao)±15V；繼電(dian)器則(ze)需(xu)要(yao)(yao)(yao)12V，24V。而(er)母線電(dian)壓多為24V，因此需(xu)要(yao)(yao)(yao)進行(xing)電(dian)壓轉(zhuan)換。

　　其(qi)三，母線電壓在(zai)長距離傳輸(shu)過程中(zhong)會存在(zai)線損，故到PCB板(ban)級時電壓較低，而(er)負載(zai)需(xu)要(yao)穩(wen)定(ding)的電壓，因此需(xu)要(yao)寬壓輸(shu)入，穩(wen)壓輸(shu)出。

　　其四，電源(yuan)需要在(zai)異常(chang)情況下，保護(hu)系統(tong)的負載和本身不壞。

　　那么，如何選擇DC-DC模塊(kuai)電源？

 三、如何選擇高(gao)可靠性的DC-DC模塊(kuai)電源

1. 采用成熟(shu)的電源拓撲

     電(dian)源模(mo)(mo)塊的設(she)計盡量選用成熟(shu)的電(dian)源拓(tuo)撲(pu)，這些拓(tuo)撲(pu)已經經過時間的考驗，成熟(shu)可(ke)靠。例如(ru)1-2W的定壓輸(shu)入(ru)(ru)DC-DC電(dian)源模(mo)(mo)塊選擇Royer電(dian)路(lu)，而寬壓輸(shu)入(ru)(ru)系列則多(duo)選Flyback拓(tuo)撲(pu)，部(bu)分(fen)Forward拓(tuo)撲(pu)。

2. 全負載范圍內高效率

     高(gao)效(xiao)率意(yi)味著更低(di)的(de)(de)功(gong)率損失和更低(di)的(de)(de)溫升，可(ke)以有(you)效(xiao)提高(gao)可(ke)靠(kao)性。在實際應用中，電(dian)源(yuan)(yuan)都會選擇(ze)一定程度的(de)(de)降額設計(ji)，特(te)別是在負(fu)載(zai)(zai)(zai)IC的(de)(de)功(gong)耗(hao)越(yue)來越(yue)低(di)的(de)(de)今天，電(dian)源(yuan)(yuan)大部分時候都有(you)可(ke)能在輕載(zai)(zai)(zai)情況下工作。因此，全負(fu)載(zai)(zai)(zai)范(fan)圍(wei)內高(gao)效(xiao)率對于電(dian)源(yuan)(yuan)系(xi)統可(ke)靠(kao)性來說是非常關(guan)鍵的(de)(de)參數(shu)，但(dan)往(wang)往(wang)被電(dian)源(yuan)(yuan)廠(chang)(chang)商忽略。大部分廠(chang)(chang)商為了技術手冊上的(de)(de)參數(shu)吸引(yin)客戶，往(wang)往(wang)將滿載(zai)(zai)(zai)效(xiao)率做到較高(gao)，但(dan)在5%-50%的(de)(de)負(fu)載(zai)(zai)(zai)情況下效(xiao)率較低(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性能是(shi)電子系統正(zheng)常(chang)、安全工作的(de)(de)保(bao)證，目前(qian)電子行(xing)業對產品的(de)(de)EMC性能都(dou)提出了很高的(de)(de)要求(qiu)，我們經常(chang)遇到客戶抱怨因EMC處理不好導致系統的(de)(de)復(fu)位重啟甚至(zhi)是(shi)早期(qi)失效，因此優良的(de)(de)EMC特性是(shi)電源模(mo)塊核心競爭力(li)。 

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)(dian)源模(mo)塊(kuai)的(de)(de)(de)損壞大約有15%是因(yin)為(wei)散(san)(san)(san)熱不良導致的(de)(de)(de)，電(dian)(dian)源模(mo)塊(kuai)是朝著小型化(hua)和集成化(hua)方(fang)向發展，但是很多應(ying)用場合電(dian)(dian)源是處于密閉的(de)(de)(de)環境中連續工作的(de)(de)(de)，如果積熱無法散(san)(san)(san)出去，電(dian)(dian)源內部的(de)(de)(de)器件可能(neng)因(yin)為(wei)超(chao)過(guo)熱應(ying)力而損壞。通(tong)常的(de)(de)(de)散(san)(san)(san)熱方(fang)式有自然風(feng)冷、散(san)(san)(san)熱片(pian)散(san)(san)(san)熱和加強制性散(san)(san)(san)熱風(feng)扇等(deng)。熱設計的(de)(de)(de)幾點經驗分享(xiang)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(ji)師需注意的是，需要(yao)關注一次電源(yuan)和二次電源(yuan)之間，以及電源(yuan)與系統(tong)工作頻(pin)率的倍頻(pin)錯開(kai)，避開(kai)相互之間的系統(tong)匹配性(xing)問題。 

五、小結 
     DC-DC電(dian)(dian)源模塊的可(ke)(ke)靠應(ying)(ying)用(yong)需要電(dian)(dian)源原(yuan)廠提供(gong)高品質(zhi)電(dian)(dian)源，同時也需要設計(ji)工程師合理的應(ying)(ying)用(yong)設計(ji)，只有從設計(ji)和(he)應(ying)(ying)用(yong)雙向考慮才能最終(zhong)獲得可(ke)(ke)靠的電(dian)(dian)源系統。