一(yi)、序言

     DC-DC模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)越來(lai)越多的(de)(de)應用于通信、工(gong)業(ye)自動化(hua)、電(dian)(dian)(dian)力控制、軌(gui)道交通、礦業(ye)、軍工(gong)等行業(ye)。而(er)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)化(hua)的(de)(de)設計(ji)，可(ke)(ke)以(yi)有效的(de)(de)簡(jian)(jian)化(hua)客(ke)戶的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)路設計(ji)，提升系(xi)統(tong)的(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)(kao)性(xing)和維護效率。那么(me)，如何提升基于DC-DC模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)的(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)(kao)性(xing)？我(wo)(wo)們大部分時候想到的(de)(de)是選擇一家品牌好的(de)(de)供應商提供高可(ke)(ke)靠(kao)(kao)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)。然而(er)，選擇一款高可(ke)(ke)靠(kao)(kao)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)，是否就意味著我(wo)(wo)們的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)非常可(ke)(ke)靠(kao)(kao)呢？本(ben)文就這個主題作簡(jian)(jian)要分析(xi)與探討。

     關鍵(jian)詞(ci)：電(dian)源應用設計、DC-DC模塊電(dian)源、可靠性

 二、為什(shen)么需要(yao)DC-DC模塊電源？

     DC-DC隔(ge)(ge)離(li)模塊(kuai)電(dian)源主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)于(yu)分布式(shi)電(dian)源系(xi)統(tong)中，用(yong)以對電(dian)源系(xi)統(tong)實(shi)現隔(ge)(ge)離(li)降低噪聲、電(dian)壓轉(zhuan)換、穩壓和(he)保(bao)護功能。使(shi)用(yong)DC-DC隔(ge)(ge)離(li)模塊(kuai)電(dian)源的四大作用(yong)如下(xia)：

　　其一，模塊電(dian)源采用隔(ge)離式設計，可以(yi)有效的隔(ge)離來自一次(ci)側(ce)設備帶來的共(gong)模干擾對系統(tong)的影響，使負(fu)載能(neng)夠穩定的工作(zuo)。

　　其(qi)二，不同(tong)的負載需要(yao)(yao)不同(tong)的供電(dian)電(dian)壓，例如控制IC需要(yao)(yao)5V、3.3V、1.8V等；信號采集用(yong)的運(yun)放則需要(yao)(yao)±15V；繼電(dian)器則需要(yao)(yao)12V，24V。而母(mu)線電(dian)壓多為24V，因此(ci)需要(yao)(yao)進(jin)行(xing)電(dian)壓轉(zhuan)換。

　　其三，母線(xian)電(dian)壓在(zai)長距離(li)傳(chuan)輸(shu)過程中會存在(zai)線(xian)損(sun)，故到PCB板級時電(dian)壓較低，而負載需要穩(wen)定的電(dian)壓，因此(ci)需要寬壓輸(shu)入，穩(wen)壓輸(shu)出。

　　其四，電源需(xu)要在異常情況(kuang)下，保護系統的負載和本身不壞。

　　那么，如何選擇DC-DC模塊電源？

 三、如何選(xuan)擇高可靠性的DC-DC模(mo)塊電源(yuan)

1. 采用(yong)成熟(shu)的電源(yuan)拓撲

     電源(yuan)模塊(kuai)的(de)設計(ji)盡量選(xuan)用成(cheng)熟的(de)電源(yuan)拓(tuo)撲，這(zhe)些拓(tuo)撲已經(jing)經(jing)過時間的(de)考驗，成(cheng)熟可靠。例如1-2W的(de)定壓(ya)輸入(ru)DC-DC電源(yuan)模塊(kuai)選(xuan)擇(ze)Royer電路，而寬壓(ya)輸入(ru)系列則多(duo)選(xuan)Flyback拓(tuo)撲，部分Forward拓(tuo)撲。

2. 全負載范(fan)圍內高效率

     高效(xiao)率(lv)意(yi)味著(zhu)更(geng)低(di)的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)損失和更(geng)低(di)的(de)(de)(de)(de)溫升，可以有效(xiao)提高可靠性。在實際應用中，電源(yuan)(yuan)都(dou)會選擇一定程度的(de)(de)(de)(de)降(jiang)額設(she)計，特別是在負載IC的(de)(de)(de)(de)功(gong)耗(hao)越(yue)來越(yue)低(di)的(de)(de)(de)(de)今天，電源(yuan)(yuan)大(da)(da)部(bu)分(fen)時(shi)候都(dou)有可能在輕載情況(kuang)(kuang)下工(gong)作。因此，全負載范(fan)圍內高效(xiao)率(lv)對于電源(yuan)(yuan)系統可靠性來說是非常(chang)關鍵的(de)(de)(de)(de)參數，但往往被電源(yuan)(yuan)廠商忽略。大(da)(da)部(bu)分(fen)廠商為(wei)了技(ji)術(shu)手冊上的(de)(de)(de)(de)參數吸引(yin)客戶，往往將滿(man)載效(xiao)率(lv)做到較(jiao)高，但在5%-50%的(de)(de)(de)(de)負載情況(kuang)(kuang)下效(xiao)率(lv)較(jiao)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(xing)(xing)能(neng)是(shi)(shi)電(dian)子系統正(zheng)常、安全工(gong)作的保證，目前電(dian)子行(xing)業對產(chan)品的EMC性(xing)(xing)能(neng)都(dou)提出了很高的要(yao)求，我們經常遇到客戶(hu)抱(bao)怨因(yin)EMC處理不(bu)好導(dao)致系統的復(fu)位重啟甚至(zhi)是(shi)(shi)早期失效，因(yin)此優良的EMC特(te)性(xing)(xing)是(shi)(shi)電(dian)源模塊核(he)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(de)電(dian)(dian)(dian)源模塊(kuai)(kuai)的(de)損壞(huai)大約有15%是因為(wei)(wei)散(san)(san)熱(re)(re)不良導致的(de)，電(dian)(dian)(dian)源模塊(kuai)(kuai)是朝著(zhu)小型化和集成化方向(xiang)發(fa)展，但是很(hen)多應(ying)用場合電(dian)(dian)(dian)源是處于(yu)密閉的(de)環境(jing)中連續工作的(de)，如果積熱(re)(re)無法散(san)(san)出去，電(dian)(dian)(dian)源內(nei)部的(de)器件可能因為(wei)(wei)超過熱(re)(re)應(ying)力(li)而(er)損壞(huai)。通常的(de)散(san)(san)熱(re)(re)方式有自然風冷、散(san)(san)熱(re)(re)片散(san)(san)熱(re)(re)和加強制性散(san)(san)熱(re)(re)風扇(shan)等。熱(re)(re)設計的(de)幾點經驗(yan)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(ling)外一個設(she)計師需注(zhu)意的是(shi)，需要關注(zhu)一次(ci)電(dian)源(yuan)和二次(ci)電(dian)源(yuan)之(zhi)間，以(yi)及電(dian)源(yuan)與系統工作頻率的倍頻錯開，避(bi)開相互(hu)之(zhi)間的系統匹配性問(wen)題。 

五、小結 
     DC-DC電(dian)源模(mo)塊(kuai)的可(ke)(ke)靠(kao)應(ying)用需要電(dian)源原廠提供高品質電(dian)源，同時也需要設計(ji)(ji)工(gong)程師合理的應(ying)用設計(ji)(ji)，只有從(cong)設計(ji)(ji)和應(ying)用雙(shuang)向考慮才能(neng)最終(zhong)獲得可(ke)(ke)靠(kao)的電(dian)源系統。