DC-DC電源模塊的應用設計和品質同樣重要
一、序(xu)言
DC-DC模(mo)塊(kuai)(kuai)電源越來越多的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)于通信、工(gong)業自動化、電力(li)控制、軌道交通、礦(kuang)業、軍工(gong)等行(xing)業。而模(mo)塊(kuai)(kuai)化的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)計,可(ke)以有效(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)簡(jian)(jian)化客戶的(de)(de)(de)(de)(de)電路設(she)計,提升系統的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)靠(kao)性和維護效(xiao)(xiao)率。那么,如何(he)提升基于DC-DC模(mo)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)電源系統的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)靠(kao)性?我們大部分(fen)時候想到的(de)(de)(de)(de)(de)是選擇一家品牌好的(de)(de)(de)(de)(de)供(gong)應(ying)商(shang)提供(gong)高可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)(de)(de)電源模(mo)塊(kuai)(kuai)。然而,選擇一款高可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)(de)(de)電源模(mo)塊(kuai)(kuai),是否(fou)就意味著我們的(de)(de)(de)(de)(de)電源系統非常可(ke)靠(kao)呢?本文就這(zhe)個主題作簡(jian)(jian)要分(fen)析與(yu)探討(tao)。
關鍵詞:電源(yuan)應用設計、DC-DC模(mo)塊(kuai)電源(yuan)、可靠性
二、為什么需要DC-DC模(mo)塊電源?
DC-DC隔離模塊電(dian)(dian)源主要應(ying)用(yong)于分布式電(dian)(dian)源系統中,用(yong)以對電(dian)(dian)源系統實現隔離降低(di)噪聲(sheng)、電(dian)(dian)壓轉換、穩壓和保護功能。使用(yong)DC-DC隔離模塊電(dian)(dian)源的四大作用(yong)如下:
其(qi)一,模(mo)塊電源采用隔(ge)離式設計,可以(yi)有效的(de)隔(ge)離來自一次側(ce)設備帶來的(de)共(gong)模(mo)干擾對系統(tong)的(de)影響(xiang),使負載能夠穩(wen)定的(de)工作。
其二,不(bu)同的(de)(de)負載需(xu)要不(bu)同的(de)(de)供(gong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓,例如控制IC需(xu)要5V、3.3V、1.8V等;信號采集用的(de)(de)運放則(ze)需(xu)要±15V;繼(ji)電(dian)(dian)器(qi)則(ze)需(xu)要12V,24V。而(er)母(mu)線電(dian)(dian)壓多(duo)為(wei)24V,因此需(xu)要進(jin)行電(dian)(dian)壓轉換。
其(qi)三,母線電壓(ya)在長距離傳(chuan)輸過程中(zhong)會(hui)存在線損,故到PCB板級時(shi)電壓(ya)較低,而負載(zai)需(xu)要穩定的(de)電壓(ya),因此(ci)需(xu)要寬壓(ya)輸入(ru),穩壓(ya)輸出(chu)。
其四(si),電源需要在異常情況下,保護系(xi)統的負載和本身不壞。
那么,如(ru)何選擇DC-DC模塊電源(yuan)?
三、如何選擇高可靠性的(de)DC-DC模塊電源(yuan)
1. 采用成熟的電源(yuan)拓(tuo)撲
電(dian)(dian)源模(mo)塊(kuai)的設計(ji)盡量選用成熟的電(dian)(dian)源拓撲(pu)(pu),這些(xie)拓撲(pu)(pu)已(yi)經經過時間(jian)的考(kao)驗,成熟可靠(kao)。例如1-2W的定壓輸(shu)(shu)入(ru)DC-DC電(dian)(dian)源模(mo)塊(kuai)選擇Royer電(dian)(dian)路(lu),而寬壓輸(shu)(shu)入(ru)系列則多選Flyback拓撲(pu)(pu),部分Forward拓撲(pu)(pu)。
2. 全負載(zai)范圍(wei)內(nei)高效率
高效(xiao)(xiao)率(lv)意味著(zhu)更低(di)(di)的(de)功率(lv)損(sun)失和更低(di)(di)的(de)溫升,可(ke)以(yi)有效(xiao)(xiao)提高可(ke)靠性。在(zai)(zai)(zai)實際應(ying)用中(zhong),電源(yuan)都會選擇一(yi)定程度的(de)降(jiang)額設(she)計,特別是(shi)在(zai)(zai)(zai)負載IC的(de)功耗越來(lai)越低(di)(di)的(de)今(jin)天,電源(yuan)大部(bu)分時候(hou)都有可(ke)能在(zai)(zai)(zai)輕(qing)載情況下工(gong)作(zuo)。因此,全(quan)負載范圍內高效(xiao)(xiao)率(lv)對于電源(yuan)系統可(ke)靠性來(lai)說是(shi)非常關(guan)鍵的(de)參數(shu),但往(wang)往(wang)被(bei)電源(yuan)廠商(shang)忽略。大部(bu)分廠商(shang)為(wei)了技術手(shou)冊(ce)上的(de)參數(shu)吸引客戶,往(wang)往(wang)將滿載效(xiao)(xiao)率(lv)做(zuo)到較高,但在(zai)(zai)(zai)5%-50%的(de)負載情況下效(xiao)(xiao)率(lv)較低(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(xing)(xing)能是(shi)電子系統(tong)(tong)正(zheng)常(chang)、安(an)全工作的(de)(de)(de)保證(zheng),目前電子行業對(dui)產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)EMC性(xing)(xing)能都提出了很高(gao)的(de)(de)(de)要求,我們(men)經常(chang)遇到(dao)客戶抱怨因(yin)EMC處理不好導(dao)致系統(tong)(tong)的(de)(de)(de)復(fu)位重啟甚至是(shi)早期失效,因(yin)此(ci)優良的(de)(de)(de)EMC特性(xing)(xing)是(shi)電源(yuan)模塊核心(xin)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)電(dian)(dian)源(yuan)模(mo)塊的(de)損壞大約(yue)有15%是因為(wei)散(san)熱不良導致的(de),電(dian)(dian)源(yuan)模(mo)塊是朝著小型化(hua)和(he)集成(cheng)化(hua)方(fang)向(xiang)發展,但是很多應(ying)用場合電(dian)(dian)源(yuan)是處(chu)于密(mi)閉(bi)的(de)環境中連續(xu)工(gong)作的(de),如(ru)果積熱無(wu)法(fa)散(san)出去,電(dian)(dian)源(yuan)內(nei)部的(de)器件可能因為(wei)超過熱應(ying)力(li)而損壞。通常的(de)散(san)熱方(fang)式有自然風冷(leng)、散(san)熱片散(san)熱和(he)加強制性(xing)散(san)熱風扇等。熱設計的(de)幾點經驗分享如(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(ling)外一個設計師需(xu)注意的是,需(xu)要(yao)關注一次電(dian)源和二次電(dian)源之間(jian)(jian),以及電(dian)源與系(xi)統工作(zuo)頻率的倍頻錯開,避(bi)開相互之間(jian)(jian)的系(xi)統匹配性問(wen)題。
五、小結
DC-DC電(dian)源(yuan)模塊的(de)(de)可靠應用(yong)需(xu)(xu)要電(dian)源(yuan)原廠提(ti)供高品質電(dian)源(yuan),同時也需(xu)(xu)要設計工(gong)程(cheng)師合理的(de)(de)應用(yong)設計,只有從設計和(he)應用(yong)雙向考慮才能最終獲得(de)可靠的(de)(de)電(dian)源(yuan)系統。
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