一、序言

     DC-DC模(mo)塊電(dian)(dian)源越來(lai)越多(duo)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用于通信(xin)、工(gong)業自動化、電(dian)(dian)力控(kong)制、軌道(dao)交(jiao)通、礦業、軍工(gong)等行(xing)業。而(er)模(mo)塊化的(de)(de)(de)(de)設(she)計，可(ke)(ke)以有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)簡(jian)化客戶的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)路設(she)計，提升系統的(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)和維護效(xiao)率。那么(me)，如何提升基于DC-DC模(mo)塊的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)源系統的(de)(de)(de)(de)可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)？我(wo)們大部分(fen)(fen)時候想到的(de)(de)(de)(de)是(shi)選(xuan)擇(ze)一家品牌好的(de)(de)(de)(de)供應(ying)商提供高可(ke)(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)源模(mo)塊。然(ran)而(er)，選(xuan)擇(ze)一款高可(ke)(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)源模(mo)塊，是(shi)否(fou)就意味著(zhu)我(wo)們的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)源系統非常(chang)可(ke)(ke)靠(kao)呢？本文(wen)就這個主題作簡(jian)要分(fen)(fen)析與探(tan)討。

     關鍵詞：電源(yuan)應用(yong)設計、DC-DC模塊電源(yuan)、可靠性

 二、為什么需要DC-DC模塊電源(yuan)？

     DC-DC隔(ge)離模(mo)塊電(dian)(dian)源(yuan)主要應用(yong)(yong)于分(fen)布式電(dian)(dian)源(yuan)系統中，用(yong)(yong)以對電(dian)(dian)源(yuan)系統實現(xian)隔(ge)離降低(di)噪聲、電(dian)(dian)壓(ya)轉換(huan)、穩壓(ya)和(he)保(bao)護功能。使(shi)用(yong)(yong)DC-DC隔(ge)離模(mo)塊電(dian)(dian)源(yuan)的四大作(zuo)用(yong)(yong)如(ru)下：

　　其一，模(mo)塊電源采用隔(ge)離式設(she)計，可以(yi)有(you)效的(de)隔(ge)離來(lai)自一次側設(she)備(bei)帶來(lai)的(de)共模(mo)干(gan)擾對系統(tong)的(de)影響，使(shi)負載(zai)能(neng)夠(gou)穩定(ding)的(de)工作。

　　其二，不(bu)同的負載需要(yao)(yao)不(bu)同的供(gong)電(dian)電(dian)壓，例如控(kong)制IC需要(yao)(yao)5V、3.3V、1.8V等；信號采集用的運(yun)放則需要(yao)(yao)±15V；繼電(dian)器則需要(yao)(yao)12V，24V。而母線(xian)電(dian)壓多為24V，因此需要(yao)(yao)進行電(dian)壓轉換。

　　其三，母線電(dian)(dian)壓(ya)在長距離傳輸(shu)(shu)過(guo)程中會存(cun)在線損，故到PCB板級時(shi)電(dian)(dian)壓(ya)較(jiao)低，而負載(zai)需要穩(wen)定的(de)電(dian)(dian)壓(ya)，因此(ci)需要寬壓(ya)輸(shu)(shu)入，穩(wen)壓(ya)輸(shu)(shu)出。

　　其四，電源需要在異常情況下，保護系統(tong)的負載(zai)和本身不壞。

　　那(nei)么，如何選擇DC-DC模塊電(dian)源？

 三、如何選擇(ze)高可靠性的(de)DC-DC模塊(kuai)電(dian)源

1. 采(cai)用成(cheng)熟的電源拓撲

     電(dian)(dian)源(yuan)模塊的(de)(de)設(she)計盡(jin)量(liang)選(xuan)用成熟(shu)的(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)拓撲(pu)，這些拓撲(pu)已(yi)經經過時間(jian)的(de)(de)考驗，成熟(shu)可靠。例如1-2W的(de)(de)定壓輸入DC-DC電(dian)(dian)源(yuan)模塊選(xuan)擇(ze)Royer電(dian)(dian)路，而寬壓輸入系列則多(duo)選(xuan)Flyback拓撲(pu)，部(bu)分Forward拓撲(pu)。

2. 全負載范圍(wei)內(nei)高(gao)效率

     高效(xiao)(xiao)率意味著更低的(de)(de)功率損(sun)失和更低的(de)(de)溫升(sheng)，可以有效(xiao)(xiao)提高可靠性(xing)。在(zai)實際應用(yong)中，電(dian)源都會選擇一定(ding)程度的(de)(de)降額設計，特別是(shi)在(zai)負載(zai)IC的(de)(de)功耗越來越低的(de)(de)今天(tian)，電(dian)源大(da)(da)部分時候都有可能在(zai)輕載(zai)情況下工作(zuo)。因此，全負載(zai)范圍內高效(xiao)(xiao)率對于電(dian)源系統可靠性(xing)來說(shuo)是(shi)非常關(guan)鍵(jian)的(de)(de)參數，但往往被電(dian)源廠商忽略。大(da)(da)部分廠商為了技術(shu)手冊上的(de)(de)參數吸引(yin)客(ke)戶(hu)，往往將滿載(zai)效(xiao)(xiao)率做到較高，但在(zai)5%-50%的(de)(de)負載(zai)情況下效(xiao)(xiao)率較低。

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(xi)統正常、安全工作(zuo)的(de)保證，目(mu)前電子行業對(dui)產品的(de)EMC性能都提出了很高的(de)要求(qiu)，我們經常遇到(dao)客(ke)戶(hu)抱怨因EMC處理不好導致系(xi)統的(de)復(fu)位重啟甚至(zhi)是早期失效，因此優良的(de)EMC特性是電源模(mo)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)業級的電(dian)源模塊的損壞大約有15%是因為散(san)(san)熱(re)(re)不良導致(zhi)的，電(dian)源模塊是朝(chao)著小型化和集(ji)成化方向發展，但是很多(duo)應(ying)用場合電(dian)源是處于密閉的環境中連(lian)續工(gong)作的，如果積熱(re)(re)無(wu)法散(san)(san)出去，電(dian)源內部(bu)的器件可(ke)能因為超過熱(re)(re)應(ying)力而損壞。通(tong)常的散(san)(san)熱(re)(re)方式有自然風冷、散(san)(san)熱(re)(re)片(pian)散(san)(san)熱(re)(re)和加強制性(xing)散(san)(san)熱(re)(re)風扇等。熱(re)(re)設計的幾點(dian)經(jing)驗分(fen)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(yi)個設計師需注(zhu)意的(de)(de)(de)是，需要(yao)關注(zhu)一(yi)次(ci)電源和二(er)次(ci)電源之間，以(yi)及電源與系統(tong)工作頻率(lv)的(de)(de)(de)倍頻錯開(kai)(kai)，避開(kai)(kai)相互之間的(de)(de)(de)系統(tong)匹(pi)配(pei)性問題。 

五、小結 
     DC-DC電源(yuan)(yuan)模塊的可靠(kao)應(ying)用(yong)需(xu)要電源(yuan)(yuan)原廠提供高品質電源(yuan)(yuan)，同時也需(xu)要設計工程師合理的應(ying)用(yong)設計，只有(you)從設計和應(ying)用(yong)雙向考慮才能最終獲(huo)得(de)可靠(kao)的電源(yuan)(yuan)系統。