一(yi)、序言

     DC-DC模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)越來越多的(de)(de)應(ying)用于通(tong)信、工(gong)業自動化、電(dian)(dian)力控(kong)制、軌道交(jiao)通(tong)、礦業、軍(jun)工(gong)等(deng)行(xing)業。而(er)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)化的(de)(de)設(she)(she)計(ji)，可(ke)(ke)以有效(xiao)的(de)(de)簡化客(ke)戶的(de)(de)電(dian)(dian)路設(she)(she)計(ji)，提(ti)升系統的(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)性和維(wei)護效(xiao)率(lv)。那么，如何提(ti)升基(ji)于DC-DC模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)系統的(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)性？我(wo)們(men)大部分(fen)(fen)時候(hou)想到的(de)(de)是(shi)選擇一家品牌(pai)好的(de)(de)供(gong)應(ying)商提(ti)供(gong)高可(ke)(ke)靠(kao)的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)。然而(er)，選擇一款(kuan)高可(ke)(ke)靠(kao)的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)，是(shi)否就意味著(zhu)我(wo)們(men)的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)系統非(fei)常(chang)可(ke)(ke)靠(kao)呢(ni)？本文(wen)就這個(ge)主題(ti)作(zuo)簡要分(fen)(fen)析與探討。

     關鍵(jian)詞：電源應用設計、DC-DC模塊電源、可靠(kao)性

 二、為什(shen)么需要(yao)DC-DC模塊電源？

     DC-DC隔離(li)(li)模塊電源主要應用于分布式(shi)電源系(xi)統(tong)中，用以對(dui)電源系(xi)統(tong)實現(xian)隔離(li)(li)降低噪(zao)聲、電壓轉換、穩壓和保護功(gong)能。使用DC-DC隔離(li)(li)模塊電源的(de)四(si)大(da)作用如下：

　　其一(yi)(yi)，模(mo)塊電源采用隔(ge)離式設計(ji)，可(ke)以(yi)有效的隔(ge)離來自一(yi)(yi)次側設備帶來的共(gong)模(mo)干擾對系統的影響，使(shi)負載能夠(gou)穩定的工(gong)作(zuo)。

　　其二(er)，不同的負載(zai)需要不同的供電電壓，例(li)如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信號采(cai)集(ji)用的運放則需要±15V；繼電器則需要12V，24V。而母(mu)線電壓多(duo)為24V，因此(ci)需要進行(xing)電壓轉換。

　　其三，母線(xian)電壓(ya)在長(chang)距離(li)傳輸(shu)過程中(zhong)會存在線(xian)損，故到PCB板級時電壓(ya)較(jiao)低，而負載需要(yao)穩(wen)定(ding)的(de)電壓(ya)，因此(ci)需要(yao)寬(kuan)壓(ya)輸(shu)入，穩(wen)壓(ya)輸(shu)出。

　　其(qi)四，電源(yuan)需要在異常(chang)情(qing)況下，保護系統的負(fu)載(zai)和本(ben)身不壞。

　　那么(me)，如何選(xuan)擇(ze)DC-DC模塊電源？

 三、如何選(xuan)擇高可靠性的DC-DC模塊電源

1. 采(cai)用成熟的(de)電(dian)源拓撲(pu)

     電源(yuan)模塊的(de)(de)設計盡(jin)量選用成熟的(de)(de)電源(yuan)拓(tuo)(tuo)撲(pu)，這些拓(tuo)(tuo)撲(pu)已經(jing)經(jing)過時間的(de)(de)考(kao)驗，成熟可靠。例如1-2W的(de)(de)定壓輸入(ru)DC-DC電源(yuan)模塊選擇Royer電路，而寬壓輸入(ru)系列則(ze)多選Flyback拓(tuo)(tuo)撲(pu)，部(bu)分Forward拓(tuo)(tuo)撲(pu)。

2. 全負(fu)載范圍內高效(xiao)率(lv)

     高(gao)效率(lv)(lv)意味著(zhu)更低(di)的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)損失和更低(di)的(de)(de)(de)溫升(sheng)，可以(yi)有效提高(gao)可靠(kao)性(xing)。在(zai)實(shi)際(ji)應用中，電源都(dou)會選擇一定程度的(de)(de)(de)降額設計，特(te)別是(shi)在(zai)負載IC的(de)(de)(de)功(gong)耗越來越低(di)的(de)(de)(de)今(jin)天，電源大部分(fen)時候都(dou)有可能在(zai)輕載情況下工作。因此，全負載范圍內高(gao)效率(lv)(lv)對于(yu)電源系(xi)統可靠(kao)性(xing)來說是(shi)非常關(guan)鍵(jian)的(de)(de)(de)參數，但往往被電源廠商忽略。大部分(fen)廠商為了技(ji)術手冊上的(de)(de)(de)參數吸引客戶，往往將(jiang)滿載效率(lv)(lv)做到較高(gao)，但在(zai)5%-50%的(de)(de)(de)負載情況下效率(lv)(lv)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)(shi)電子系統正常、安全工作的保證，目(mu)前電子行業對產品的EMC性能都提出了很高的要求，我們(men)經(jing)常遇到(dao)客戶抱怨(yuan)因(yin)EMC處理不好導(dao)致系統的復位(wei)重啟甚至是(shi)(shi)早期(qi)失(shi)效，因(yin)此優良的EMC特性是(shi)(shi)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(gong)業級的(de)(de)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de)(de)損壞(huai)大約(yue)有15%是因為散(san)熱(re)(re)不良導致(zhi)的(de)(de)，電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)是朝著小型化和(he)集成化方向發展，但是很多(duo)應用場(chang)合電(dian)源(yuan)是處于密閉(bi)的(de)(de)環境中(zhong)連續工(gong)作的(de)(de)，如(ru)(ru)果積熱(re)(re)無法(fa)散(san)出去，電(dian)源(yuan)內部(bu)的(de)(de)器件可能因為超過熱(re)(re)應力而損壞(huai)。通常的(de)(de)散(san)熱(re)(re)方式(shi)有自然風冷(leng)、散(san)熱(re)(re)片(pian)散(san)熱(re)(re)和(he)加強制(zhi)性散(san)熱(re)(re)風扇等。熱(re)(re)設(she)計(ji)的(de)(de)幾點經驗分享(xiang)如(ru)(ru)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(yi)個設(she)計師需(xu)注意(yi)的(de)是，需(xu)要關注一(yi)次電源和二(er)次電源之間，以及(ji)電源與系統工作頻率的(de)倍頻錯開，避開相(xiang)互(hu)之間的(de)系統匹配性問題。 

五、小結 
     DC-DC電(dian)源模塊(kuai)的(de)可靠(kao)應(ying)用需(xu)要(yao)電(dian)源原廠(chang)提供高品質電(dian)源，同時也需(xu)要(yao)設計(ji)(ji)工程師合理(li)的(de)應(ying)用設計(ji)(ji)，只有從設計(ji)(ji)和應(ying)用雙向(xiang)考慮才能最終獲得可靠(kao)的(de)電(dian)源系(xi)統。