DC-DC電源模塊選型

1、DC/DC模塊電源以其體積小巧、性能卓異、使用方便的顯著特點(diǎn),在 通信、網(wǎng)絡(luò)、工控、鐵 路、軍事等領(lǐng)域日益得到廣泛的應(yīng)用.怎樣正確合理地選用DC/DC模塊電源呢,筆者將從DC/DC模塊電源開發(fā)設(shè)計(jì)的角度,談一談這方面的問題,以供廣闊系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考.DCDC勺意思是直流變到直流不同 直流電源值的轉(zhuǎn)換,只要符合這個(gè)定義都可以叫 DCDC專換器.具體是指通過自激振蕩電路把輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?再通過變壓器改 變電壓之后再轉(zhuǎn)換為直流電輸出,或者通過倍壓整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電輸出.1電源模塊選擇需要考慮的幾個(gè)方面額定功率封裝形式溫度范圍與降額使用隔離電壓功耗和效率2額定功率一般建議實(shí)際使

2、用功率是模塊電源額定功率的3080%；宜具體比例大小還與其他因素有關(guān),后面將會提到.,這個(gè)功率范圍內(nèi)模塊電源各方面性能發(fā)揮都比擬充分而且穩(wěn)定可靠.所有模塊電源均有一定的過載水平,但是仍不建議長時(shí)間工作在過載條件下,畢竟這是一種短時(shí)應(yīng)急之計(jì).3封裝形式DC/DC變換器的外形尺寸和輸出形式差異很大.小功率產(chǎn)品采用密封外殼,外形十分纖小； 大功率產(chǎn)品常采用 quarter-brick 或half-brick 的形式,電路或暴露,或以外殼包裹.在 選擇時(shí),需要注意以下兩個(gè)方面：第一,引腳是否在同一平面上；第二,是否便于焊接.SMT形式的變換器必須要符合 IEC191-6:1990標(biāo)準(zhǔn)的要求,該標(biāo)準(zhǔn)對S

3、M惴件引腳的共面問題做 出了嚴(yán)格限定.如果變換器不能滿足這個(gè)要求,就需要為其設(shè)計(jì)專門的焊接裝配工藝,這會增加裝配時(shí)間,提升生產(chǎn)本錢.模塊電源的封裝形式多種多樣,符合國際標(biāo)準(zhǔn)的也有,非標(biāo)準(zhǔn)的也有,就同一公司產(chǎn)品而言,相同功率產(chǎn)品有不同封裝,相同封裝有不同功率, 那么怎么選擇封裝形式呢？主要有三個(gè)方面：一定功率條件下體積要盡量小,這樣才能給系統(tǒng)其他局部更多空間更多功能； 盡量選擇符合國際標(biāo)準(zhǔn)封裝的產(chǎn)品,由于兼容性較好,不局限于一兩個(gè)供貨廠家； 應(yīng)具有 可擴(kuò)展性,便于系統(tǒng)擴(kuò)容和升級.全部符合國際標(biāo)準(zhǔn),為業(yè)界廣泛采用的半磚、全醇封裝,與VICOR LAMBD描著名品牌完全兼容,并且半醇產(chǎn)品功率范圍覆蓋

4、50200W全醇產(chǎn)品覆蓋100300W4溫度范圍與降額使用一般廠家的模塊電源都有幾個(gè)溫度范圍產(chǎn)品可供選用：商品級、工業(yè)級、軍用級等,在選擇模塊電源時(shí)一定要考慮實(shí)際需要的工作溫度范圍,由于溫度等級不同材料和制造工藝不同價(jià)格就相差很大,選擇不當(dāng)還會影響使用,因此不得不慎重考慮.可以有兩種選擇方法：一是根據(jù)使用功率和封裝形式選擇,如果在體積封裝形式一定的條件下實(shí)際使用功率已經(jīng)接近額定功率,那么模塊標(biāo)稱的溫度范圍就必須嚴(yán)格滿足實(shí)際需要甚至略有裕量.二是根據(jù)溫度范圍來選,如果由于本錢考慮選擇了較小溫度范圍的產(chǎn)品,但有時(shí)也有溫度逼近極限的情況,怎么辦呢？降額使用.即選擇功率或封裝更大一些的產(chǎn)品,這樣“大馬

5、拉小車,溫升要低一些,能夠從一定程度上緩解這一矛盾.應(yīng)折衷考慮.商品級0 C至IJ+70 C工業(yè)級-40 C至iJ+85 C軍用級-55 C到+125 C5變頻與定頻和所有開關(guān)型器件一樣,DC/DC變換器在工作時(shí)會產(chǎn)生噪聲,因此濾波性能的好壞也是重要 的選型依據(jù).集成化的DC/DC變換器通常采用的是變頻開關(guān)技術(shù)或是定頻開關(guān)技術(shù).而定頻開關(guān)變換器在這方面那么簡便許多,甚至可以使用LC濾波器.6工作頻率一般而言工作頻率越高,輸出紋波噪聲就更小,電源動態(tài)響應(yīng)也更好,但是對元器件特別是 磁性材料的要求也越高,本錢會有增加,所以國內(nèi)模塊電源產(chǎn)品開關(guān)頻率多為在300kHz以下,甚至有的只有100kHz左右

6、,這樣就難以滿足負(fù)載變條件下動態(tài)響應(yīng)的要求,因此高要 求場合應(yīng)用要考慮采用高開關(guān)頻率的產(chǎn)品.另外一方面當(dāng)模塊電源開關(guān)頻率接近信號工作頻率時(shí)容易引起差拍振蕩,選用時(shí)也要考慮到這一點(diǎn).7隔離度絕大多數(shù)的電路都必須實(shí)現(xiàn)隔離,即將負(fù)載連同負(fù)載對本地電源的噪聲與電網(wǎng)的其他負(fù)載和噪聲隔開.只有隔離變換器能夠到達(dá)這個(gè)要求.采用隔離變換器除了實(shí)現(xiàn)上述要求之外,還可以實(shí)現(xiàn)差分形式的輸出,以及雙極型輸出見圖.此外,將隔離型變換器的輸出高壓端 與負(fù)載的電源地相連, 就形成了負(fù)電源.由于電壓參考點(diǎn)不是地,因此負(fù)載可以獲得更高的電壓.在一定時(shí)限內(nèi)通常是1秒變換器所能承受的、 施加在輸入端和輸出端之間的最高 電壓,稱為變

7、換器的隔離強(qiáng)度.因此,設(shè)計(jì)低噪聲電源時(shí),應(yīng)該選擇隔離強(qiáng)度高而隔離電容低白D DC/DC變換器,以減小泄漏電流.通常在醫(yī)療設(shè)備里需要很高的隔離電壓,這樣的話,漏電流就小, 對身體的危害就小. 一般場合使用對模塊電源隔離電壓要求不是很高,但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流,更高的平安性和可靠性,并且EMC寺性也更好一些,因此目前業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上.8什么是電涌？電涌被稱為瞬態(tài)過電,是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流、電壓波動,在電路中通常持續(xù)約百萬分之一秒.220伏電路系統(tǒng)中持續(xù)瞬間百萬分之一秒的 5,000或10,000伏的電壓波 動,即為電涌或瞬態(tài)過電.電涌的

8、來源：簡單而言,來自兩個(gè)方面：外部電涌和內(nèi)部電涌.來自外部的電涌：最主要的來源是雷電.當(dāng)云層中有電荷集蓄, 云層下的地表集蓄了極性相反的等量電荷時(shí),便發(fā)生了雷電放電,云層和地面間的電荷電位高達(dá)假設(shè)干百萬伏,發(fā)生雷擊時(shí),以假設(shè)干千安計(jì)的電流通過雷擊放電,經(jīng)過所有的設(shè)備和大地返回云層,從而完成了電的通路.不幸的是,通路常常是取道重要或貴重的設(shè)備.外部電涌的另一個(gè)來源是 電力公司的公用電網(wǎng)開關(guān)在電力線上產(chǎn)生的過電壓.來自內(nèi)部的電涌：88%的電涌產(chǎn)生于建筑物內(nèi)部的設(shè)備, 幾年前,一平方厘米的計(jì)算機(jī)芯片 有2,000個(gè)晶體管而現(xiàn)在的奔騰機(jī)那么超過 10,000,000個(gè).從而增加了計(jì)算機(jī)受電涌損壞的 概

9、率.由于計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)決定了它應(yīng)在特定的電壓范圍內(nèi)工作.當(dāng)電涌超出計(jì)算機(jī)能承受的水平時(shí),計(jì)算機(jī)將出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼,芯片被損壞,部件提前老化,這些病癥包括：出乎預(yù)料的 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,接收/輸送數(shù)據(jù)的失敗,喪失文檔,工作失常,經(jīng)常需要維修,原因不明的故障 和硬件問題等等.雷電電涌遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)和其它電氣設(shè)備所能承受的水平,絕大多數(shù)情況下,造成計(jì)算機(jī)和其它電器設(shè)備的當(dāng)即毀壞,或數(shù)據(jù)的永遠(yuǎn)喪失.即使是一個(gè)20馬力的小型感應(yīng)式發(fā)動機(jī)的啟動或關(guān)閉也會產(chǎn)生 3,000 - 5,000伏的電涌,使和它共用同一配電箱的計(jì)算機(jī)在每一次 電涌中都會受到損壞或干擾,這種電涌的次數(shù)非常頻繁.9電涌會損壞那些電氣設(shè)備？含有

10、微處理器的電氣設(shè)備極易受到電涌的損壞,這包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)備、程序控制器、PLG 機(jī)、 、留言機(jī)等；程控交換機(jī)、播送 電視發(fā)送機(jī)、微波中繼設(shè)備；家 電行業(yè)的產(chǎn)品包括電視、音響、微波爐、錄像機(jī)、洗衣機(jī)、烘干機(jī)和電冰箱等.美國的調(diào)查 數(shù)據(jù)說明,在保修期內(nèi)出現(xiàn)問題的電氣產(chǎn)品中,有63%是由于電涌造成的.10電涌的來源電涌可來自電氣裝置外部,也可來自電氣裝置內(nèi)部,即來自電氣裝置內(nèi)的電器設(shè)備.來自外部的電涌 這種電涌由雷電或公用電網(wǎng)開關(guān)的投切引起,這兩類有害的電源擾動都可擾亂計(jì) 算機(jī)和微機(jī)信息處理系統(tǒng)的工作,引起停工或永久性設(shè)備損壞.當(dāng)云層上有電荷儲蓄,云層下外表產(chǎn)生極性相反的等量電荷時(shí),將引起

11、雷電放電.其后的情況就象一個(gè)大 電池組或一個(gè)大電容器的放電那樣,云層和地面間的電荷電位高達(dá)假設(shè)干百萬伏.發(fā)生雷擊時(shí)以假設(shè)干千安計(jì)的電流通過雷擊放電,經(jīng)過所有設(shè)備和大地返回云層,從而完成電的通路.不幸的是這個(gè)雷電通路常常取道重要或貴重的設(shè)備.電涌防護(hù)的關(guān)鍵概念是給雷電感應(yīng)電流提供一個(gè)通向大地的短捷有效的通路.來自內(nèi)部的電涌來自內(nèi)部的電涌是經(jīng)常發(fā)生的,諸如來自空調(diào)機(jī)、空壓機(jī)、電弧焊機(jī)、電泵、電梯、開關(guān)電源和其它一些感性負(fù)荷的電涌.11平均故障間隔時(shí)間很多DPA系統(tǒng)都要求高度的可靠性,這就對平均故障間隔時(shí)間MTTF提出了要求.在這里要提醒讀者,僅憑產(chǎn)品說明書上的數(shù)據(jù)是不能評價(jià)某個(gè)產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣的.

12、造成這個(gè)問題的原因是,目前國際上尚未制定出公認(rèn)的關(guān)于MTTF指標(biāo)的定義和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),各廠商普遍使用的是美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217F中的“一般情況下的可靠性預(yù)測方法,以及Bellcore 標(biāo)準(zhǔn)TR-NWT-000332中的電信設(shè)備模型.不過,即便是聲稱遵照同一標(biāo)準(zhǔn)推算出 來的MTTF旨標(biāo),常常也不一致.在變換器投入使用之前,任彳SJ MTTF旨標(biāo)都毫無意義.溫度對可靠性有顯著的影響,經(jīng)驗(yàn)公式是：環(huán)境溫度每升高10C,器件壽命將縮短一半.有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明,模塊電源在預(yù)期有效時(shí)間內(nèi)失效的主要原因是外部故障條件下?lián)p壞.而正常使用失效的機(jī)率是很低的.12功耗和效率根據(jù)公式,其中Pin、Pout、P耗分別為模塊電源輸入、輸出功率和自身功率損耗.由此可 以看出,輸出功率一定條件下,模塊損耗P耗越小,那么效率越高,溫升就低,壽命更長.當(dāng)