DC/DC模塊電源的選擇與應(yīng)用

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模塊電源開發(fā)設(shè)計(jì)的角度，結(jié)合近年來(lái)鼎立信公司模塊電源推廣使用過(guò)程中得到的用戶信息反饋，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。

DC/DC模塊電源的選擇

選擇使用DC/DC模塊電源除了最基本的電壓轉(zhuǎn)換功能外，還有以下幾個(gè)方面需要考慮：

1. 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，例如鼎立信公司產(chǎn)品可達(dá) 120～150%，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)。

2.封裝形式

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。以鼎立信公司大功率模塊電源產(chǎn)品為例：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。

3.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/℃?？傊催x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。

4.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(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)。鼎立信模塊電源開關(guān)頻率最高可達(dá)500kHz，具有優(yōu)良的輸出特性。

5.隔離電壓

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。

6.故障保護(hù)功能

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。[!--empirenews.page--]7.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。

模塊電源應(yīng)用注意事項(xiàng)

1、極輕載使用

一般模塊電源有最小負(fù)載限制，各廠家有所不同，普遍為10%左右，因?yàn)樨?fù)載太輕時(shí)儲(chǔ)能元件續(xù)流困難會(huì)發(fā)生電流不連續(xù)，從而導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，這是由電源本身的工作原理決定的。但是如果用戶的確有輕載甚至空載使用的情況怎么辦呢，最方便有效的方法是加一定的假負(fù)載，約為輸出功率的2%左右，可以由模塊廠商出廠前預(yù)置，也可以由用戶在模塊外安裝適當(dāng)電阻作為負(fù)載。值得注意的是如果選擇前者，模塊效率會(huì)有所降低。但是有的電路拓?fù)鋮s沒(méi)有最小負(fù)載限制，如鼎立信公司的E系列模塊電源就可以滿足用戶從空載到滿載的正常使用。

2、多路輸出功率分配

選擇多路輸出模塊電源時(shí)要注意不同路輸出之間的功率分配。以雙路產(chǎn)品為例，一般有兩種類型：一種是雙路平衡負(fù)載的，即雙路電流大小一樣;另一種是不平衡負(fù)載的，即主、輔路負(fù)載電流不相同，主路大，輔路小。對(duì)于這種產(chǎn)品，建議選擇輔路與主路功率之比為1/5～1/2為宜，在此范圍內(nèi)輔路的電壓穩(wěn)定性才有保證(可在5%以內(nèi))，否則輔路電壓就會(huì)偏高或偏低。另一方面如果雙路負(fù)載本來(lái)就不相同也盡量不要選用平衡負(fù)載型模塊電源，因?yàn)榇朔N電源專門針對(duì)對(duì)稱負(fù)載設(shè)計(jì)，若負(fù)載不平衡輔路電壓精度不高。

3、設(shè)法降低模塊電源的溫升

模塊內(nèi)部器件的工作溫度的高低直接影響模塊電源的壽命，器件溫度越低模塊壽命越長(zhǎng)。在一定的工作條件下，模塊電源的損耗是一定的，但是可以通過(guò)改善模塊電源的散熱條件來(lái)降低其溫升，從而大大延長(zhǎng)其使用壽命。比如：50W以上的模塊電源必須安裝散熱器，散熱器的表面積越大越有利于散熱，且散熱器的安裝方向應(yīng)盡量有利于空氣的自然對(duì)流，功率在150W以上除安裝散熱器以外還可以加裝扇強(qiáng)制風(fēng)冷。此外在環(huán)境溫度較高或空氣流通條件較差的地方模塊須降額使用以減小功耗從而降低溫升，延長(zhǎng)使用壽命。

4、合理安裝減小機(jī)械應(yīng)力

模塊電源的引出方式均為金屬針，模塊電源與外接線路、金屬針與模塊電源內(nèi)路電路均采用焊接方式連接。在一些特殊場(chǎng)合機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度較大，尢其是大功率模塊電源上還要加裝散熱器，這種情況更為嚴(yán)重。雖然模塊電源內(nèi)部一般灌封導(dǎo)熱絕緣橡膠可以對(duì)元件起到較好的緩沖保護(hù)作用，但焊點(diǎn)有可能經(jīng)受不住強(qiáng)烈振動(dòng)應(yīng)力而斷裂，導(dǎo)致模塊電源工作失效，這時(shí)必須在焊接的基礎(chǔ)上再采取另外的固定和緩沖措施，比如可以用夾具或螺栓(對(duì)于有螺孔模塊)將模塊與機(jī)箱、大線路板等相對(duì)抗振性能好的部件固定，并且在它們中間墊一些彈性材料以緩沖振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力。

總之，模塊電源和其它元器件一樣只有精心選擇、合理應(yīng)用才能使其性能得到最大發(fā)揮，可靠性得到充分保障，模塊電源也才會(huì)被更廣泛地采用!