不可忽視的電源模塊的應用設計和品質(zhì)！

　　DC-DC模塊電源越來(lái)越多地應用于通信、工業(yè)自動(dòng)化、電力控制、軌道交通、礦業(yè)、軍工等行業(yè)。模塊化的設計可以有效簡(jiǎn)化客戶(hù)的電路設計，提升系統的可靠性和維護效率。那么，如何提升基于DC-DC模塊的電源系統的可靠性？本文就這個(gè)主題作簡(jiǎn)要分析與探討。

　　為什么需要DC-DC模塊電源？

　　DC-DC隔離模塊電源主要應用于分布式電源系統中，用以對電源系統實(shí)現隔離降低噪聲、電壓轉換、穩壓和保護功能。使用DC-DC隔離模塊電源的作用如下：

　　第一，模塊電源采用隔離式設計，可以有效隔離來(lái)自一次側設備帶來(lái)的共模干擾對系統的影響，使負載能夠穩定工作。

　　第二，不同的負載需要不同的供電電壓，例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信號采集用的運放則需要±15V；繼電器則需要12V、24V；而母線(xiàn)電壓多為24V，因此需要進(jìn)行電壓轉換。

　　第三，母線(xiàn)電壓在長(cháng)距離傳輸過(guò)程中會(huì )存在線(xiàn)損，故到PCB板級時(shí)電壓較低，而負載需要穩定的電壓，因此需要寬壓輸入，穩壓輸出。

　　第四，電源需要在異常情況下，保護系統的負載和本身不壞。

　　如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源

　　采用成熟的電源拓撲

　　電源模塊的設計盡量選用成熟的電源拓撲。例如1W～2W的定壓輸入DC-DC電源模塊選擇Royer電路，而寬壓輸入系列則多選Flyback拓撲，部分選Forward拓撲。

　　全負載范圍內高效率

　　高效率意味著(zhù)更低的功率損失和更低的溫升，可以有效提高可靠性。在實(shí)際應用中，電源都會(huì )選擇一定程度的降額設計，特別是在負載IC的功耗越來(lái)越低的今天，電源大部分時(shí)候都有可能在輕載情況下工作。因此，全負載范圍內高效率對于電源系統可靠性來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的參數，但往往被電源廠(chǎng)商忽略。大部分廠(chǎng)商為了技術(shù)手冊上的參數吸引客戶(hù)，往往將滿(mǎn)載效率做到較高，但在5%～50%的負載情況下效率較低。

　　以金升陽(yáng)的15W DC-DC模塊電源VRB2412LD-15WR2為例，VRB2412LD-15WR2在額定電壓24V輸入時(shí)輕載10%的效率比主流同行水平高出15%，如圖1和圖2所示。

　　通過(guò)效率的提升也可以有效降低產(chǎn)品的外殼溫升，VRB2412LD-15WR2在實(shí)際負載工作時(shí)的溫升要低13.8℃。

　　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(lèi)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℃～85℃，也有做到更好的，例如金升陽(yáng)的定壓R2代1W～2W工作溫度可做到-40℃～105℃。如果在汽車(chē)BMS、高壓母線(xiàn)監測應用，則需要工作溫度為 -40℃～125℃，金升陽(yáng)的CF0505XT-1WR2工作溫度可做到125℃。

　　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(huán)沖擊試驗和長(cháng)時(shí)間高溫高濕測試等。正規的電源開(kāi)發(fā)都會(huì )經(jīng)過(guò)以上測試。因此，是否有此類(lèi)測試設備也成為了判斷電源廠(chǎng)商是否為山寨廠(chǎng)商的依據。

　　高隔離、低隔離電容

　　醫療產(chǎn)品要求極低的漏電流，電力電子產(chǎn)品需要原邊和次級之間盡量少寄生電容。這兩個(gè)行業(yè)有一個(gè)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領(lǐng)域應用，1W～2W DC-DC建議選取隔離電容低于10pF的電源模塊，寬壓產(chǎn)品則盡量選取低于150pF的電源模塊。

　　EMC特性

　　EMC性能是電子系統正常、安全工作的保證，目前電子行業(yè)對產(chǎn)品的EMC性能都提出了很高的要求，客戶(hù)經(jīng)常抱怨因EMC處理不好導致系統的復位重啟甚至是早期失效，因此優(yōu)良的EMC特性是電源模塊核心競爭力。

　　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(shí)際上，由于電源系統工作環(huán)境的復雜性，再可靠的電源如果沒(méi)有可靠的系統應用設計，最終電源還是會(huì )失效。下面介紹幾種常見(jiàn)的電源系統應用設計的方法和注意事項。

　　冗余設計技巧

　　在可靠性要求高的場(chǎng)合，要求電源模塊即使損壞，系統也不能斷電。此時(shí)，可以采取冗余供電的方式來(lái)提升系統的可靠性。圖3為其中一種常見(jiàn)的冗余設計方案。當一個(gè)電源模塊損壞時(shí)，另外一個(gè)模塊可以繼續供電。

　　圖中D1、D2建議使用低壓降的肖特基二極管，以避免二極管的壓降影響后端系統的工作，另外，二極管的耐壓值要高于輸出電壓。這種方法會(huì )產(chǎn)生額外的紋波噪聲，需外接電容來(lái)減小紋波或是加濾波電路。

　　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(guò)輕使用，電源的性能又無(wú)法工作在最佳狀態(tài)。例如，金升陽(yáng)DC-DC模塊電源建議在負載范圍30%～80%內使用，此時(shí)各方面性能表現最佳。

　　合理外圍防護設計

　　電源模塊應用行業(yè)非常多，應用的環(huán)境要求也不近相同，因為其通用性設計，DCDC模塊電源僅能滿(mǎn)足通用共性需求。因此當客戶(hù)的應用環(huán)境要求苛刻時(shí)，需要加適當的外圍電路來(lái)提升電源的可靠性。

　　以金升陽(yáng)的20W DC-DC鐵路電源URB24XXLD-20WR2為例，單獨模塊只能通過(guò)EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1s測試，但因為體積原因沒(méi)有辦法通過(guò)RIA12的標準，通過(guò)添加外圍電路（也可以選擇金升陽(yáng)EMC輔助器FC-AX3D），就能通過(guò)RIA12要求的3.5Vin/20ms的等測試要求。

　　因而合理的外圍電路設計可以使模塊滿(mǎn)足更高等級的技術(shù)規格，使之適應更惡劣的應用環(huán)境，提升電源模塊的可靠性。

　　散熱設計

　　工業(yè)級電源模塊的損壞大約有15%是因為散熱不良導致的，電源模塊是朝著(zhù)小型化和集成化方向發(fā)展的，但是很多應用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續工作的，如果積熱無(wú)法散出去，電源內部的器件可能因為超過(guò)熱應力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強制性散熱風(fēng)扇等。熱設計的幾點(diǎn)經(jīng)驗分享如下：

　　電源模塊的對流通風(fēng)。對于依靠自然對流和熱輻射來(lái)散熱的電源模塊，周?chē)h(huán)境一定要便于對流通風(fēng)，且周?chē)鸁o(wú)大器件遮擋，便于空氣流通。

　　發(fā)熱器件的放置。如果系統中擁有多個(gè)發(fā)熱源例如多個(gè)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(guò)熱。

　　合理的PCB板設計。PCB板提供了一種散熱途徑，在設計時(shí)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，可以使熱量盡快向上散發(fā)；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發(fā)的熱量會(huì )被PCB阻擋，導致產(chǎn)品積熱無(wú)法散發(fā)出去。

　　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(huì )更快，內部的溫度會(huì )更低，電源的可靠性自然也就越高。

　　匹配性設計、安規設計。電源的輸入走線(xiàn)盡量保持直線(xiàn)，避免形成環(huán)路天線(xiàn)吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)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(xiàn)，特別是信號線(xiàn)、電源變壓器的電磁線(xiàn)會(huì )對信號形成干擾。

　　另外一個(gè)設計師需注意的是，需要關(guān)注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統工作頻率的倍頻錯開(kāi)，避開(kāi)相互之間的系統匹配性問(wèn)題。