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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

     DC-DC模(mo)塊(kuai)電源(yuan)(yuan)越(yue)來越(yue)多(duo)的應用于(yu)通(tong)(tong)信、工(gong)業自動(dong)化(hua)、電力控制(zhi)、軌道交(jiao)通(tong)(tong)、礦業、軍工(gong)等行業。而模(mo)塊(kuai)化(hua)的設計,可(ke)以(yi)有效的簡化(hua)客戶的電路設計,提升系(xi)統(tong)(tong)的可(ke)靠性和維(wei)護效率。那么,如何提升基于(yu)DC-DC模(mo)塊(kuai)的電源(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)的可(ke)靠性?我們大部分時(shi)候想到的是選擇(ze)一家品牌好的供應商提供高可(ke)靠的電源(yuan)(yuan)模(mo)塊(kuai)。然而,選擇(ze)一款高可(ke)靠的電源(yuan)(yuan)模(mo)塊(kuai),是否就意(yi)味著(zhu)我們的電源(yuan)(yuan)系(xi)統(tong)(tong)非常可(ke)靠呢?本文就這個主題(ti)作(zuo)簡要分析與探討。

     關(guan)鍵詞:電源應用設(she)計、DC-DC模塊電源、可靠性

 二、為什么需要(yao)DC-DC模塊電源?

     DC-DC隔離(li)模塊電(dian)(dian)源主要應用(yong)(yong)于分布(bu)式電(dian)(dian)源系統中,用(yong)(yong)以對(dui)電(dian)(dian)源系統實現隔離(li)降低噪(zao)聲、電(dian)(dian)壓轉換、穩壓和(he)保護功能。使用(yong)(yong)DC-DC隔離(li)模塊電(dian)(dian)源的四(si)大作(zuo)用(yong)(yong)如下:

  其(qi)一(yi),模塊電源采用(yong)隔離(li)式(shi)設(she)計,可以有效的(de)隔離(li)來自一(yi)次側(ce)設(she)備帶(dai)來的(de)共模干擾對系(xi)統的(de)影響,使(shi)負(fu)載能夠(gou)穩定(ding)的(de)工(gong)作。

  其(qi)二,不(bu)同的(de)負載需(xu)(xu)要(yao)(yao)不(bu)同的(de)供電電壓,例如控制IC需(xu)(xu)要(yao)(yao)5V、3.3V、1.8V等;信(xin)號(hao)采集用的(de)運放則需(xu)(xu)要(yao)(yao)±15V;繼(ji)電器則需(xu)(xu)要(yao)(yao)12V,24V。而母線電壓多為24V,因(yin)此需(xu)(xu)要(yao)(yao)進(jin)行電壓轉(zhuan)換(huan)。

  其(qi)三,母線(xian)電壓(ya)在長(chang)距離(li)傳輸過(guo)程(cheng)中會存(cun)在線(xian)損(sun),故到PCB板級時電壓(ya)較低,而負載需(xu)要(yao)穩定的(de)電壓(ya),因此需(xu)要(yao)寬壓(ya)輸入,穩壓(ya)輸出。

  其四,電(dian)源需要在異常情(qing)況下,保護系統的負載和本身不(bu)壞。

  那么,如何選擇(ze)DC-DC模塊電源?

 三(san)、如(ru)何選擇(ze)高可靠(kao)性的DC-DC模塊電源

1. 采用成熟的電源拓撲

     電源模塊的(de)(de)設計盡(jin)量(liang)選用成熟的(de)(de)電源拓撲(pu)(pu),這些拓撲(pu)(pu)已經(jing)經(jing)過時間的(de)(de)考驗(yan),成熟可靠。例如1-2W的(de)(de)定壓輸入(ru)DC-DC電源模塊選擇(ze)Royer電路,而寬壓輸入(ru)系列(lie)則(ze)多選Flyback拓撲(pu)(pu),部(bu)分Forward拓撲(pu)(pu)。

2. 全負(fu)載(zai)范圍內高效率

     高效(xiao)(xiao)率意味(wei)著更(geng)低(di)的(de)功率損(sun)失和更(geng)低(di)的(de)溫升,可以有效(xiao)(xiao)提高可靠性(xing)。在(zai)(zai)實(shi)際應用中,電源都會選擇(ze)一(yi)定程度的(de)降額設計,特(te)別是在(zai)(zai)負(fu)(fu)載(zai)(zai)(zai)IC的(de)功耗越來越低(di)的(de)今(jin)天,電源大部分時候都有可能在(zai)(zai)輕載(zai)(zai)(zai)情況(kuang)下工作。因此,全負(fu)(fu)載(zai)(zai)(zai)范(fan)圍內高效(xiao)(xiao)率對于電源系統(tong)可靠性(xing)來說是非常(chang)關鍵(jian)的(de)參數,但往(wang)往(wang)被電源廠商忽略。大部分廠商為了(le)技術(shu)手冊上的(de)參數吸引(yin)客戶,往(wang)往(wang)將滿(man)載(zai)(zai)(zai)效(xiao)(xiao)率做(zuo)到較(jiao)高,但在(zai)(zai)5%-50%的(de)負(fu)(fu)載(zai)(zai)(zai)情況(kuang)下效(xiao)(xiao)率較(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性能是(shi)電子(zi)系統正常、安全工(gong)作的保證(zheng),目(mu)前電子(zi)行(xing)業對產品的EMC性能都提(ti)出了很(hen)高的要求,我們經常遇(yu)到客戶抱怨因EMC處(chu)理不好(hao)導致系統的復(fu)位(wei)重啟甚至是(shi)早(zao)期(qi)失(shi)效,因此優良的EMC特性是(shi)電源模塊(kuai)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(ye)級的(de)(de)(de)電源模(mo)塊的(de)(de)(de)損(sun)(sun)壞大約有15%是(shi)因為(wei)散(san)熱(re)(re)(re)不(bu)良導致的(de)(de)(de),電源模(mo)塊是(shi)朝(chao)著小(xiao)型化(hua)和集(ji)成化(hua)方向(xiang)發展,但是(shi)很(hen)多(duo)應用場合電源是(shi)處于(yu)密(mi)閉的(de)(de)(de)環境中連續工作的(de)(de)(de),如果(guo)積熱(re)(re)(re)無法散(san)出去,電源內部的(de)(de)(de)器件可能因為(wei)超過熱(re)(re)(re)應力而(er)損(sun)(sun)壞。通常(chang)的(de)(de)(de)散(san)熱(re)(re)(re)方式有自(zi)然風冷、散(san)熱(re)(re)(re)片散(san)熱(re)(re)(re)和加強(qiang)制性散(san)熱(re)(re)(re)風扇等。熱(re)(re)(re)設計的(de)(de)(de)幾點經驗分(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。 
     另外一個設計師需(xu)注意的是,需(xu)要關(guan)注一次電(dian)源(yuan)(yuan)和二次電(dian)源(yuan)(yuan)之間(jian)(jian),以及電(dian)源(yuan)(yuan)與(yu)系(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)的倍頻(pin)錯開(kai),避開(kai)相互之間(jian)(jian)的系(xi)統(tong)匹配性(xing)問題。 

五、小結 
     DC-DC電源模塊的可靠(kao)應(ying)(ying)用需要(yao)電源原廠提供高品質電源,同時也需要(yao)設(she)(she)計工程師合理的應(ying)(ying)用設(she)(she)計,只(zhi)有從設(she)(she)計和(he)應(ying)(ying)用雙(shuang)向考慮(lv)才能(neng)最終獲(huo)得(de)可靠(kao)的電源系(xi)統。

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