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    电源模块的应用设计和品质同样重要

    作者:时间:2019-05-28来源:电子产品世界收藏

    一、序言
         DC_DC模块电源越来越多的应用于通信、工业自动化、电力控制、轨道交通、矿业、军工等行业。而模块化的设计,可以?#34892;?#30340;简化客户的电路设计,提升系统的可靠性和维护效率。那么,如何提升基于DC_DC模块的电源系统的可靠性?我们大部?#36136;?#20505;想到的是选择一家品牌好的供应商提供高可靠的电源模块。然而,选择一款高可靠的电源模块,是否就意味着我们的电源系统非常可靠呢?本文就这个主题作简要分析与探讨。
         关键词:电源应用设计、DC-DC模块电源、可靠性
    二、为什么需要DC_DC模块电源?
         DC-DC隔离模块电源主要应用于分布式电源系统中,用以对电源系统实?#25351;?#31163;降低噪声、电压转换、稳压和保护功能。使用DC-DC隔离模块电源的四大作用如下:
      其一,模块电源采用隔离式设计,可以?#34892;?#30340;隔离来自一次侧设备带来的共模干扰对系统的影响,使负载能够稳定的工作。
      其二,不同的负载需要不同的供电电压,例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等;信号采集用的运放则需要±15V;继电器则需要12V,24V。而母线电压多为24V,因此需要进行电压转换。
      其三,母线电压在长距离传输过?#35752;?#20250;存在线损,故到PCB板级时电压?#31995;停?#32780;负载需要稳定的电压,因此需要宽压输入,稳压输出。
      其?#27169;?#30005;源需要在异常情况下,保护系统的负载和本身?#25442;怠?br/>  那么,如何选择DC-DC模块电源?
    三、如何选择高可靠性的DC-DC模块电源
    1. 采用成熟的电源拓扑
         电源模块的设计尽量选用成熟的电源拓扑,这些拓扑已经经过时间的考验,成熟可靠。例如1-2W的定压输入DC-DC电源模块选择Royer电路,而宽压输入系?#24615;?#22810;选Flyback拓扑,部分Forward拓扑。
    2. 全负载范围内高效率
         高效率意味着更低的功率损失和更低的温升,可以?#34892;?#25552;高可靠性。在?#23548;?#24212;用中,电源都会选择一定程度的降额设计,特别是在负载IC的功耗越来越低的今天,电源大部?#36136;?#20505;都有可能在轻载情况下工作。因此,全负载范围内高效率对于电源系统可靠性来说是非常关键的?#38382;?#20294;往往被电源厂商忽略。大部分厂商为了技术手册上的?#38382;?#21560;引客户,往往将满载效率做到较高,但在5%-50%的负载情况下效率?#31995;汀?br/>

    本文引用地址:http://www.bftj.tw/article/201905/400956.htm

         ?#36234;?#21319;阳的15W DC-DC模块电源VRB2412LD-15WR2为例,VRB2412LD-15WR2在额定电压24V输入时轻载10%的效率比主流同行水平高出15%,如图1和图2所示。 

    1.jpg




    通过效率的提升也可以?#34892;?#30340;降低产品的外壳温升,VRB2412LD-15WR2在?#23548;?#36127;载工作时的温升要低13.8度。
    3. 极限温度特性
         电源模块应用的地理区域非常宽广,可能有热带的酷暑也有类似俄罗斯冬天的严寒。因此要求DC-DC模块的工作温度范围最低要求为-40度~85度,也有做到更好?#27169;?#20363;如金升阳的定压R2代1-2W工作温度可以做到-40度~105度。如果在汽车BMS、高压母线监测应用,则需要工作温度为-40度~125度,?#22771;?#19994;界DC-DC模块只有金升阳的CF0505XT-1WR2的产品工作温度可以做到125度。
         极限温度试验是最能检验电源模块可靠性的方法,例如高温老化、高温&低温带电工作性能测试、高低温循环冲击试验?#32479;?#26102;间高温高湿测试等。正规的电源开发都会经过以上测试。因此,是否有此类测试设备也成为了判断电源厂商是否为山寨厂商的依据。
    4. 高隔离、低隔离电容
         医疗产品要求极低的漏电流,电力电子产品需要原边和次级之间尽?#21487;?#23492;生电容。这两个行业有一个共性的需求,即要求尽量高的隔离耐压,和尽量低的隔离电容,用?#36234;?#20302;共模干扰对系统的影响。如果在医疗或电力电子应用,1-2W DC_DC建议选取隔离电容低于10pF左右的电源模块,宽压产品则尽量选取低于150pF的电源模块。
    5. EMC特性
         EMC性能是电子系统正常、安全工作的保证,?#22771;?#30005;子行业对产品的EMC性能都提出了很高的要求,我们经常遇到客户抱怨因EMC处理不好导致系统的复位重启甚至是早期失效,因此优良的EMC特性是电源模块核心竞争力。
    四、电源系统应用设计的可靠性
         电源本身的可靠性固然重要,但是?#23548;?#19978;,由于电源系统工作环境的复?#26377;裕?#20877;可靠的电源如果没有可靠的系统应用设计,最终电源还是会失效。下面介绍几种常见的电源系统应用设计的方法和注意事项。
    1. 冗余设计技巧
         在可靠性要求高的场合,要求电源模块?#35789;?#25439;坏,系统也不能断电。此?#20445;?#25105;们可以采取冗余供电的方式来提升系统的可靠性。如下图所示,当一个电源模块损坏?#20445;?#21478;外一个模块可以继续供电。图3为其中一种常见的冗余设计方案。

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    注意事项:D1、D2建议使用低压降的肖特基二极管,以避免二极管的压降影响后端系统的工作,并注意选取二极管的耐压值要高于输出电压。这?#22336;?#27861;会产生额外的纹波噪声,需外接电容来减小纹波或是加滤波电路。
    2. 降额设计
         众所周知,降额设计可以?#34892;?#25552;高电源工作寿命,但是负载过轻使用,电源的性能又无法工作在最佳状态。 例如,金升阳DC_DC模块电源建议在负载范围30%~80%内使用,此?#22791;?#26041;面性能表现最?#36873;?br/>3. 合理外围防护设计
         电源模块应用行业非常多,应用的环境要求也不近相同,因为其通用性设计,DC-DC模块电源仅能满足通用共性需求。因?#35828;?#23458;户的应用环境要求?#37327;淌保?#38656;要加?#23454;?#30340;外围电路来提升电源的可靠性。
         ?#36234;?#21319;阳的20W DC-DC铁路电源URB24XXLD-20WR2为例,单独模块只能通过EN50155 1.4倍输入电压Vin的1S测试,但因为体积原因没有办法通过RIA12的标准,通过添加外围电路(也可以选择金升阳EMC辅助器FC-AX3D),就能通过RIA12要求的3.5Vin/20mS的等测试要求。    因而合理的外围电路设计可以使模块满足更高等级的技术规格,使之适应更恶劣的应用环?#24120;?#25552;升电源模块的可靠性。
    4. 散热设计

         工业级的电源模块的损坏大约有15%是因为散热不良导致?#27169;?#30005;源模块是朝?#21028;?#22411;化和集成化?#36739;?#21457;展,但是很多应用场合电源是处于密闭的环境中连续工作?#27169;?#22914;果积热无法散出去,电源内部的器件可能因为超过热应力而损坏。通常的散热方式有自然风冷、散热片散热和加强制性散热风扇等。热设计的几点经验分享如下:

    (1) 电源模块的对流通风

         对于依靠自然对流和热辐射来散热的电源模块,周围环境一定要便于对流通风,且周围无大器件遮挡,便于空气流通。
    (2) 发热器件的放置
         如果系统中拥有多个发热源例如多个电源模块,相互之间应尽量远离,避免相互之间热辐射传递导致电源模块过热。
    (3) 合理的PCB板设计
         PCB板提供了一种散热途径,在设计时就要多考?#24039;?#28909;途径。例如加大主回路的铜皮面积,降低PCB板上元器件的密度等,改善模块的散热面积和散热通道,例如电源模块应尽量垂直放置如图4,可以使热量尽快向上散发;如果将DC-DC模块放在PCB的底部,则向上散发的热量会被PCB阻挡,导致产品积热无法散发出去。
    (4) 更大封装尺寸和散热面积
      同样功率的电源,如果可能尽量选择尺寸更大的封装和散热面更大的散热器,或者使用导热?#33322;?#30005;源模块外壳与机壳连接。这样电源模块拥有更大的散热面积,散热会更快,内部的温度会更低,电源的可靠性自然也就越高。
    5. 匹配性设计、安规设计

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         电源的输入走线尽量保?#31181;?#32447;,避免形成环路天线吸引外界辐射干扰。同时输入线和输出线需要按照UL60950的安规要求保持合适的间距,避免耐压失效。再者,电源底板下禁止布线,特别是信号线,电源变压器的电磁线会对信?#21028;?#25104;干扰。
         另外一个设计师需注意的是,需要关注一次电源和二次电源之间,以及电源与系统工作频率的倍频错开,避开相互之间的系统匹配性问题。
    五、小结
         DC_DC电源模块的可靠应用需要电源原厂提供高品质电源,同时也需要设计工程师合理的应用设计,只有从设计和应用双向考虑才能最终获得可靠的电源系统。





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