DCDC模塊電源的應(yīng)用與選擇

DCDC模塊電源的中心議題：

如何正確合理的選用DC/DC模塊電源

DCDC模塊電源的解決方案：

額定功率的考慮

封裝形式注意事項(xiàng)

選擇合適的溫度范圍與降額使用

隔離電壓的考慮

功耗和效率的考慮

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。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)意識(shí)到：正確合理地選用DC/DC模塊電源，可以省卻電源設(shè)計(jì)、調(diào)試方面的麻煩，將主要精力集中在自己專業(yè)的領(lǐng)域，這樣不僅可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)水平，而且更重要的是縮短了整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)周期，為在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先致勝贏得了寶貴商機(jī)。那么，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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的角度，談一談這方面的問(wèn)題，以供廣大系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考。

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

額定功率

一般建議實(shí)際使用功率是模塊電源額定功率的30～80%為宜(具體比例大小還與其他因素有關(guān)，后面將會(huì)提到。)，這個(gè)功率范圍內(nèi)模塊電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。負(fù)載太輕造成資源浪費(fèi)，太重則對(duì)溫升、可靠性等不利。所有模塊電源均有一定的過(guò)載能力，但是仍不建議長(zhǎng)時(shí)間工作在過(guò)載條件下，畢竟這是一種短時(shí)應(yīng)急之計(jì)。

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(duì)SMT器件引腳的共面問(wèn)題做出了嚴(yán)格限定。器件引腳不共面會(huì)造成器件裝配時(shí)定位困難，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，提高次品率。SMT形式的變換器應(yīng)能承受規(guī)定的焊接條件。對(duì)于絕大多數(shù)現(xiàn)代流水線而言，器件必須滿足 CEC00802標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的回流焊要求，即器件表面溫度可超過(guò)300℃。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(mén)的焊接裝配工藝，這會(huì)增加裝配時(shí)間，提高生產(chǎn)成本。

模塊電源的封裝形式多種多樣，符合國(guó)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：① 一定功率條件下體積要盡量小，這樣才能給系統(tǒng)其他部分更多空間更多功能;② 盡量選擇符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝的產(chǎn)品，因?yàn)榧嫒菪暂^好，不局限于一兩個(gè)供貨廠家;③ 應(yīng)具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和升級(jí)。選擇一種封裝，系統(tǒng)由于功能升級(jí)對(duì)電源功率的要求提高,電源模塊封裝依然不變,系統(tǒng)線路板設(shè)計(jì)可以不必改動(dòng),從而大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品升級(jí)更新?lián)Q代，節(jié)約時(shí)間。全部符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為業(yè)界廣泛采用的半磚、全磚封裝，與VICOR、 LAMBDA等著名品牌完全兼容，并且半磚產(chǎn)品功率范圍覆蓋50～200W，全磚產(chǎn)品覆蓋100～300W。

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(jí)、工業(yè)級(jí)、軍用級(jí)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，因?yàn)闇囟鹊燃?jí)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(huì)影響使用，因此不得不慎重考慮?？梢杂袃煞N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(lái)選，如果由于成本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“大馬拉小車”，溫升要低一些，能夠從一定程度上緩解這一矛盾。降額比例隨功率等級(jí)不同而不同，一般50W以上為3～10W/℃。總之要么選擇寬溫度范圍的產(chǎn)品，功率利用更充分，封裝也更小一些，但價(jià)格較高;要么選擇一般溫度范圍產(chǎn)品，價(jià)格低一些，功率裕量和封裝形式就得大一些。應(yīng)折衷考慮。

商品級(jí)(0 ℃ 到+70 ℃)

工業(yè)級(jí)(-40 ℃ 到+85 ℃)

軍用級(jí)(-55 ℃到+125 ℃)

變頻與定頻

和所有開(kāi)關(guān)型器件一樣，DC/DC變換器在工作時(shí)會(huì)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(kāi)關(guān)技術(shù)或是定頻開(kāi)關(guān)技術(shù)。　　采用變頻開(kāi)關(guān)技術(shù)的變換器由于要根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行不斷調(diào)整，所以會(huì)導(dǎo)致頻帶展寬，增加濾波器的復(fù)雜度。而定頻開(kāi)關(guān)變換器在這方面則簡(jiǎn)便許多，甚至可以使用LC濾波器。

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(dòng)態(tài)響應(yīng)也更好，但是對(duì)元器件特別是磁性材料的要求也越高，成本會(huì)有增加，所以國(guó)內(nèi)模塊電源產(chǎn)品開(kāi)關(guān)頻率多為在300kHz以下，甚至有的只有100kHz左右，這樣就難以滿足負(fù)載變條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，因此高要求場(chǎng)合應(yīng)用要考慮采用高開(kāi)關(guān)頻率的產(chǎn)品。另外一方面當(dāng)模塊電源開(kāi)關(guān)頻率接近信號(hào)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)。

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(duì)本地電源的噪聲與電網(wǎng)的其他負(fù)載和噪聲隔開(kāi)。只有隔離變換器能夠達(dá)到這個(gè)要求?！　〔捎酶綦x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(jiàn)圖)?！　〈送?，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。　　采用隔離型變換器的另一個(gè)妙處是：可以將多個(gè)具有不同輸出電壓的變換器級(jí)聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)電源。對(duì)于那些單個(gè)變換器的輸出電壓達(dá)不到工作電壓要求的設(shè)備，這種特性非常有用?！　≡谝欢〞r(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，稱為變換器的隔離強(qiáng)度。而變換器的額定工作電壓是指變換器能長(zhǎng)時(shí)間承受的加在輸入端的電壓，這個(gè)電壓低于隔離強(qiáng)度?！　≡谶x擇隔離型變換器時(shí)還需要考慮器件的泄漏電流指標(biāo)，泄漏電流是指因輸入回路和輸出回路之間的耦合電容而產(chǎn)生的電流。只要給定隔離電容的值，并且確定噪聲頻率，就可以根據(jù)阻抗計(jì)算出泄漏電容的大小?！　⌒孤╇娏麟S噪聲電壓的增加而增大，隨隔離電容的減小而減小。因此，設(shè)計(jì)低噪聲電源時(shí)，應(yīng)該選擇隔離強(qiáng)度高而隔離電容低的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(duì)身體的危害就小。一般場(chǎng)合使用對(duì)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，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。

什么是電涌?

電涌被稱為瞬態(tài)過(guò)電，是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流、電壓波動(dòng),在電路中通常持續(xù)約百萬(wàn)分之一秒。220 伏電路系統(tǒng)中持續(xù)瞬間(百萬(wàn)分之一秒)的 5,000或10,000伏的電壓波動(dòng)，即為電涌或瞬態(tài)過(guò)電。

電涌的來(lái)源：簡(jiǎn)單而言，來(lái)自兩個(gè)方面：外部電涌和內(nèi)部電涌。來(lái)自外部的電涌：最主要的來(lái)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)若干百萬(wàn)伏，發(fā)生雷擊時(shí),以若干千安計(jì)的電流通過(guò)雷擊放電，經(jīng)過(guò)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。如果雷電擊中了附近的電力線，部分電流將沿線進(jìn)入建筑物，這股巨大的電流就會(huì)直接擾亂或破壞計(jì)算機(jī)和其它敏感的電氣設(shè)備,其速度之快,全程只需百萬(wàn)分之一秒。

外部電涌的另一個(gè)來(lái)源是電力公司的公用電網(wǎng)開(kāi)關(guān)在電力線上產(chǎn)生的過(guò)電壓。

來(lái)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，如：空調(diào)、電梯、電焊機(jī)、空氣壓縮機(jī)、水泵、開(kāi)關(guān)電源、復(fù)印機(jī)和其它感應(yīng)性負(fù)荷。電涌對(duì)計(jì)算機(jī)和其它敏感電氣設(shè)備的危害：計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展至今，多層、超規(guī)模的集層芯片，電路密集，趨向是集成度更高、元器件間隙更小、導(dǎo)線更細(xì)。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)則超過(guò)10,000,000個(gè)。從而增加了計(jì)算機(jī)受電涌損壞的概率。

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，這些癥狀包括：出乎預(yù)料的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，接收/輸送數(shù)據(jù)的失敗，丟失文檔，工作失常，經(jīng)常需要維修，原因不明的故障和硬件問(wèn)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)丟失。即使是一個(gè)20馬力的小型感應(yīng)式發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或關(guān)閉也會(huì)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(huì)受到損壞或干擾，這種電涌的次數(shù)非常頻繁。

電涌會(huì)損壞那些電氣設(shè)備?

含有微處理器的電氣設(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、PLC、傳真機(jī)、電話、留言機(jī)等;程控交換機(jī)、廣播電視發(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(guó)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在保修期內(nèi)出現(xiàn)問(wèn)題的電氣產(chǎn)品中，有63%是由于電涌造成的。

電涌的來(lái)源

電涌可來(lái)自電氣裝置外部，也可來(lái)自電氣裝置內(nèi)部，即來(lái)自電氣裝置內(nèi)的電器設(shè)備。來(lái)自外部的電涌這種電涌由雷電或公用電網(wǎng)開(kāi)關(guān)的投切引起，這兩類有害的電源擾動(dòng)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(chǔ)蓄，云層下表面產(chǎn)生極性相反的等量電荷時(shí)，將引起雷電放電。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)若干百萬(wàn)伏。發(fā)生雷擊時(shí)以若干千安計(jì)的電流通過(guò)雷擊放電，經(jīng)過(guò)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。這樣雷電涌流將從設(shè)備外分流。大的雷擊電流值常被例舉應(yīng)用，其實(shí)它發(fā)生的可能性很小。如Bellcore公司的工程師們將電涌防護(hù)器的泄放電流規(guī)定為20000A(見(jiàn)參考資料TR-NWT-001011)。雖然他們按經(jīng)驗(yàn)將出現(xiàn)在其電氣設(shè)備裝置中的最大尖峰電流定為10000A，他們?nèi)匀?00%的安全系數(shù)，即將電涌防護(hù)器的泄放電流規(guī)定為2000A。在線路高度暴露地段發(fā)生21萬(wàn)A的雷擊電流(有記錄的最大值之一)的機(jī)會(huì)只占總雷擊機(jī)會(huì)的0.5%。如此大的雷擊電流極少出現(xiàn)在建筑物電源進(jìn)線處，但仍須重視對(duì)這種外來(lái)電涌的防范。來(lái)自內(nèi)部的電涌來(lái)自內(nèi)部的電涌是經(jīng)常發(fā)生的，諸如來(lái)自空調(diào)機(jī)、空壓機(jī)、電弧焊機(jī)、電泵、電梯、開(kāi)關(guān)電源和其它一些感性負(fù)荷的電涌。例如一臺(tái)20hp的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(線電壓 230V，4級(jí)，Y結(jié)線)在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)每相具有約39J的儲(chǔ)存能量，當(dāng)其標(biāo)稱方根值電流被截?cái)鄷r(shí)，它將產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓。它經(jīng)常發(fā)生，和它自同一配電箱供電的其它負(fù)荷將因此易受損壞或工作失常。不要以為電氣裝置電源進(jìn)線上的過(guò)電壓防護(hù)器可以保護(hù)電氣設(shè)備不受內(nèi)部電涌的危害。它不能，它只能對(duì)沿電源線進(jìn)入電氣裝置的外部電涌進(jìn)行防范，因大容量的進(jìn)線防護(hù)器距內(nèi)部電涌發(fā)生處的距離太遠(yuǎn)。

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(duì)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(shuō)明書(shū)上的數(shù)據(jù)是不能評(píng)價(jià)某個(gè)產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣的?！　≡斐蛇@個(gè)問(wèn)題的原因是，目前國(guó)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(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217F中的“一般情況下的”可靠性預(yù)測(cè)方法，以及Bellcore標(biāo)準(zhǔn)TR-NWT-000332中的電信設(shè)備模型。不過(guò)，即便是聲稱遵照同一標(biāo)準(zhǔn)推算出來(lái)的MTTF指標(biāo)，常常也不一致?！　∵@種不一致的第一個(gè)來(lái)源，是計(jì)算公式中對(duì)元器件特性的處理方式不同(例如某些算式將焊接點(diǎn)的影響忽略不計(jì)，而焊接點(diǎn)故障是電路失效的最常見(jiàn)原因之一);來(lái)源之二是元器件的可靠性指標(biāo)。舉個(gè)例子，某些廠商采用MIL-HDBK-217F中的器件數(shù)據(jù)和故障率數(shù)據(jù)，另外一些廠商則采用其他渠道的數(shù)據(jù);第三個(gè)來(lái)源是具體的計(jì)算方法差異(即便是MIL-HDBK，也給出了兩種不同的預(yù)測(cè)工具)。當(dāng)然，在變換器投入使用之前，任何MTTF指標(biāo)都毫無(wú)意義?！　囟葘?duì)可靠性有顯著的影響，經(jīng)驗(yàn)公式是：環(huán)境溫度每升高10℃，器件壽命將縮短一半。如果主要的設(shè)備需要在40℃～50℃條件下運(yùn)行，并且電源部件的溫度高于環(huán)境溫度20℃，那么，25℃條件下推算出來(lái)的MTTF指標(biāo)就失去了意義。　　實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)人員必須透過(guò)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的數(shù)據(jù)，深入地理解廠商推算MTTF的方法。必須去查詢推算的詳細(xì)步驟，知道原始數(shù)據(jù)的來(lái)源及其測(cè)量條件，對(duì)于那些無(wú)法提供詳細(xì)資料的廠商，應(yīng)該對(duì)其指標(biāo)持保留態(tài)度。

有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，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。因此延長(zhǎng)模塊電源壽命、提高系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)是選擇保護(hù)功能完善的產(chǎn)品，即在模塊電源外部電路出現(xiàn)故障時(shí)模塊電源能夠自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而不至于永久失效，外部故障消失后應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)正常。模塊電源的保護(hù)功能應(yīng)至少包括輸入過(guò)壓、欠壓、軟啟動(dòng)保護(hù);輸出過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù)，大功率產(chǎn)品還應(yīng)有過(guò)溫保護(hù)等。

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，則效率越高，溫升就低，壽命更長(zhǎng)。除了滿載正常損耗外，還有兩個(gè)損耗值得注意：空載損耗和短路損耗(輸出短路時(shí)模塊電源損耗)，因?yàn)檫@兩個(gè)損耗越小，表明模塊效率越高，特別是短路未能及時(shí)采取措施的情況下，可能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，短路損耗越小則因此失效的機(jī)率也大大減小。當(dāng)然損耗越小也更符合節(jié)能的要求。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：為提高變換器的變換效率，各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，具有代表性的是無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，主要包括零電壓開(kāi)關(guān)/零電流開(kāi)關(guān)(ZVS/ZCS)諧振、準(zhǔn)諧振、零電壓/零電流脈寬調(diào)制技術(shù)(ZVS/ZCS-PWM)以及零電壓過(guò)渡/零電流過(guò)渡脈寬調(diào)制(ZVT/ZCT-PWM)技術(shù)等。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效的降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)應(yīng)力，有助于變換器變換效率的提高。