一、序(xu)言

     DC-DC模(mo)塊(kuai)電(dian)(dian)(dian)源越來(lai)越多的(de)應用于(yu)通信(xin)、工(gong)業(ye)(ye)自動化、電(dian)(dian)(dian)力(li)控制(zhi)、軌(gui)道交通、礦業(ye)(ye)、軍工(gong)等行業(ye)(ye)。而模(mo)塊(kuai)化的(de)設(she)計(ji)，可以有效的(de)簡化客戶的(de)電(dian)(dian)(dian)路設(she)計(ji)，提升系統(tong)(tong)的(de)可靠(kao)性(xing)和維護效率。那么，如何提升基(ji)于(yu)DC-DC模(mo)塊(kuai)的(de)電(dian)(dian)(dian)源系統(tong)(tong)的(de)可靠(kao)性(xing)？我們大(da)部(bu)分(fen)(fen)時(shi)候想到的(de)是選(xuan)擇(ze)一家品牌好(hao)的(de)供(gong)應商提供(gong)高可靠(kao)的(de)電(dian)(dian)(dian)源模(mo)塊(kuai)。然(ran)而，選(xuan)擇(ze)一款高可靠(kao)的(de)電(dian)(dian)(dian)源模(mo)塊(kuai)，是否就(jiu)意味著我們的(de)電(dian)(dian)(dian)源系統(tong)(tong)非常可靠(kao)呢？本文(wen)就(jiu)這(zhe)個主題(ti)作(zuo)簡要分(fen)(fen)析與探(tan)討。

     關鍵詞：電源(yuan)應用設(she)計、DC-DC模塊電源(yuan)、可靠性(xing)

 二(er)、為什么需要DC-DC模塊(kuai)電源？

     DC-DC隔(ge)離(li)模(mo)塊電(dian)源主要應用(yong)于(yu)分布(bu)式電(dian)源系(xi)統中，用(yong)以對電(dian)源系(xi)統實現隔(ge)離(li)降低噪聲(sheng)、電(dian)壓轉換、穩(wen)壓和保(bao)護功能。使用(yong)DC-DC隔(ge)離(li)模(mo)塊電(dian)源的四大作用(yong)如下：

　　其一，模(mo)塊電源(yuan)采用隔(ge)離式設(she)計，可以(yi)有效的隔(ge)離來(lai)自一次側設(she)備帶來(lai)的共模(mo)干擾(rao)對系統的影響，使負載(zai)能夠穩定的工作。

　　其二，不同的負(fu)載需(xu)要(yao)(yao)不同的供電(dian)電(dian)壓(ya)，例如(ru)控制IC需(xu)要(yao)(yao)5V、3.3V、1.8V等(deng)；信號采(cai)集用的運放則需(xu)要(yao)(yao)±15V；繼電(dian)器則需(xu)要(yao)(yao)12V，24V。而母線電(dian)壓(ya)多為24V，因此需(xu)要(yao)(yao)進行電(dian)壓(ya)轉換(huan)。

　　其三，母線電(dian)壓在長距離傳輸(shu)過(guo)程中(zhong)會存在線損，故到PCB板級時電(dian)壓較(jiao)低，而負載需要(yao)穩定的電(dian)壓，因此需要(yao)寬壓輸(shu)入，穩壓輸(shu)出。

　　其四，電源需要(yao)在異(yi)常情況下，保護系(xi)統的負載(zai)和本身(shen)不壞。

　　那么，如何選(xuan)擇(ze)DC-DC模(mo)塊電源(yuan)？

 三、如何選擇高可(ke)靠性的DC-DC模塊電源(yuan)

1. 采用成熟的電(dian)源(yuan)拓撲(pu)

     電(dian)(dian)源模(mo)塊(kuai)的設(she)計盡量選用成熟(shu)的電(dian)(dian)源拓撲(pu)，這些拓撲(pu)已經(jing)經(jing)過時間的考驗(yan)，成熟(shu)可靠。例如1-2W的定壓輸(shu)入DC-DC電(dian)(dian)源模(mo)塊(kuai)選擇Royer電(dian)(dian)路，而(er)寬壓輸(shu)入系列則多(duo)選Flyback拓撲(pu)，部(bu)分Forward拓撲(pu)。

2. 全負載范(fan)圍內高效率

     高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)意味著更低(di)(di)(di)的(de)(de)功率(lv)損(sun)失和更低(di)(di)(di)的(de)(de)溫升，可以有效(xiao)(xiao)提高(gao)可靠(kao)性。在實際應(ying)用(yong)中，電(dian)源(yuan)都(dou)會選擇一(yi)定程(cheng)度的(de)(de)降額設計，特別是在負載(zai)(zai)IC的(de)(de)功耗越來越低(di)(di)(di)的(de)(de)今天(tian)，電(dian)源(yuan)大部分時候都(dou)有可能在輕載(zai)(zai)情況下工作。因(yin)此，全負載(zai)(zai)范圍內高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)對于電(dian)源(yuan)系統可靠(kao)性來說是非常關(guan)鍵的(de)(de)參數(shu)，但往(wang)往(wang)被電(dian)源(yuan)廠商忽略(lve)。大部分廠商為了技(ji)術手(shou)冊上的(de)(de)參數(shu)吸引(yin)客戶，往(wang)往(wang)將滿載(zai)(zai)效(xiao)(xiao)率(lv)做到較高(gao)，但在5%-50%的(de)(de)負載(zai)(zai)情況下效(xiao)(xiao)率(lv)較低(di)(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。