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DC-DC電源模塊的應用設計和品質同樣重要

2019/7/2 10:12:57??????點擊:

 一、序言(yan)

     DC-DC模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)電源(yuan)(yuan)越來越多的(de)應用于通(tong)信、工(gong)業(ye)自動化(hua)、電力控制、軌道(dao)交通(tong)、礦(kuang)業(ye)、軍工(gong)等行業(ye)。而模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)化(hua)的(de)設計,可以有效的(de)簡化(hua)客戶(hu)的(de)電路(lu)設計,提(ti)升系統的(de)可靠性和維護(hu)效率。那么,如何提(ti)升基于DC-DC模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)的(de)電源(yuan)(yuan)系統的(de)可靠性?我(wo)(wo)們(men)大部分時候想到的(de)是選擇一家品牌好的(de)供(gong)應商提(ti)供(gong)高可靠的(de)電源(yuan)(yuan)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)。然而,選擇一款高可靠的(de)電源(yuan)(yuan)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai),是否就(jiu)意(yi)味著我(wo)(wo)們(men)的(de)電源(yuan)(yuan)系統非常可靠呢?本文就(jiu)這個主題(ti)作簡要分析(xi)與(yu)探討(tao)。

     關(guan)鍵詞:電(dian)(dian)源(yuan)應用設計(ji)、DC-DC模(mo)塊電(dian)(dian)源(yuan)、可靠性

 二(er)、為什么需要DC-DC模(mo)塊(kuai)電(dian)源?

     DC-DC隔離模塊電源主要應用于(yu)分布(bu)式電源系(xi)統中(zhong),用以(yi)對電源系(xi)統實(shi)現隔離降(jiang)低噪聲、電壓(ya)轉換、穩壓(ya)和保護功(gong)能。使用DC-DC隔離模塊電源的四大作用如下:

  其一(yi),模塊電源采用隔(ge)離(li)(li)式(shi)設計,可以有效(xiao)的隔(ge)離(li)(li)來自一(yi)次側設備帶來的共(gong)模干(gan)擾(rao)對系統(tong)的影響,使負載(zai)能(neng)夠穩定的工作(zuo)。

  其(qi)二,不同的負載需要(yao)不同的供電電壓(ya),例如控制(zhi)IC需要(yao)5V、3.3V、1.8V等;信號(hao)采集用的運(yun)放則需要(yao)±15V;繼電器則需要(yao)12V,24V。而母線電壓(ya)多為24V,因(yin)此需要(yao)進行電壓(ya)轉換。

  其三,母線(xian)電壓在(zai)長距離傳輸(shu)過程(cheng)中會存(cun)在(zai)線(xian)損(sun),故到PCB板級時電壓較低,而負載需要(yao)穩(wen)定的電壓,因此需要(yao)寬壓輸(shu)入,穩(wen)壓輸(shu)出。

  其(qi)四,電源需要在(zai)異常情(qing)況下,保護系統的負載和(he)本(ben)身不壞。

  那(nei)么,如何選擇DC-DC模塊電源?

 三、如何選擇高可(ke)靠性的(de)DC-DC模塊電源

1. 采用成(cheng)熟的電源(yuan)拓撲

     電(dian)(dian)(dian)源(yuan)模(mo)塊的設計盡量選(xuan)用成熟的電(dian)(dian)(dian)源(yuan)拓撲,這(zhe)些拓撲已(yi)經經過時間的考驗,成熟可靠。例(li)如1-2W的定壓(ya)輸(shu)入(ru)DC-DC電(dian)(dian)(dian)源(yuan)模(mo)塊選(xuan)擇Royer電(dian)(dian)(dian)路,而(er)寬壓(ya)輸(shu)入(ru)系列則多選(xuan)Flyback拓撲,部分Forward拓撲。

2. 全負(fu)載范圍內(nei)高效率

     高效(xiao)率意味著更低(di)的(de)功(gong)率損失和更低(di)的(de)溫升,可(ke)(ke)以有效(xiao)提高可(ke)(ke)靠性(xing)。在實際應(ying)用中,電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)都(dou)會(hui)選(xuan)擇一定程(cheng)度(du)的(de)降(jiang)額設計(ji),特(te)別是(shi)在負載(zai)(zai)IC的(de)功(gong)耗越來越低(di)的(de)今天,電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)大部分時候都(dou)有可(ke)(ke)能在輕載(zai)(zai)情(qing)況下工(gong)作。因(yin)此,全負載(zai)(zai)范(fan)圍內(nei)高效(xiao)率對(dui)于(yu)電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)系統可(ke)(ke)靠性(xing)來說是(shi)非常關(guan)鍵的(de)參(can)(can)數(shu),但往(wang)(wang)往(wang)(wang)被電(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)廠商(shang)忽略。大部分廠商(shang)為了技術手冊上的(de)參(can)(can)數(shu)吸引客戶,往(wang)(wang)往(wang)(wang)將(jiang)滿(man)載(zai)(zai)效(xiao)率做到(dao)較高,但在5%-50%的(de)負載(zai)(zai)情(qing)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。

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