電源模塊在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的四個選型問題

電源模塊的出現(xiàn)，將嵌入式工程師從繁重的電源設(shè)計工作中解脫出來。但電源模塊的種類繁多，我們在日常電路設(shè)計中該如何考慮選型呢?

在日趨激烈的市場競爭中，產(chǎn)品的快速設(shè)計與開發(fā)無疑已經(jīng)成為領(lǐng)先致勝、快速占領(lǐng)商機的必要條件。在項目經(jīng)理的“鞭策”和項目周期越來越短的普遍情況下，模塊化開發(fā)，平臺化開發(fā)，方案引用式開發(fā)模式已經(jīng)被越來越多的系統(tǒng)設(shè)計人員和硬件工程師接受使用。

圖1 模塊化設(shè)計產(chǎn)物——模塊化手機

任何一個電子產(chǎn)品的開發(fā)，都逃不開電源的設(shè)計。如果將產(chǎn)品比作人，那么電源就好比一個人的心臟，心臟的健康與否，關(guān)乎到人的生死存亡。同樣，電源的設(shè)計優(yōu)劣，輕則影響整個產(chǎn)品的性能，重則影響整個項目的成敗。而電源設(shè)計，又以其專業(yè)程度高，調(diào)試周期長，故障排查難等特點，讓“攻城獅”們深惡痛絕。

在此等大背景下，模塊電源應(yīng)運而生，為“攻城獅”們帶來了福音。其中DC/DC電源模塊又以其體積小巧、性能優(yōu)異、使用方便、綜合成本低等顯著特點，在通信、網(wǎng)絡(luò)、工控、鐵路等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

那么，在型號繁多，參數(shù)各不相同，品牌眾多的電源模塊中，怎樣篩選出既合適，性價比又高的DC/DC電源模塊呢?一般標(biāo)準(zhǔn)選型方法大家都比較熟悉，這次我們講點不一樣的，講講嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時DC/DC電源模塊選型時比較容易糾結(jié)的幾個問題。

一、隔離or非隔離?

“這部分電路到底需不需要隔離?”這基本上是每一個嵌入式系統(tǒng)工程師都會思考的問題。

從隔離的目的來說，可以將隔離分為安全隔離和噪聲隔離兩大類。由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛性，在硬件設(shè)計中，經(jīng)常會遇到多電壓供電，數(shù)模混合，高速低速信號同板等復(fù)雜的情況，處理稍有不慎，就會引入干擾，輕則降低產(chǎn)品性能，重則干擾通信甚至引起系統(tǒng)重啟、癱瘓等。此時，隔離就顯得尤為重要，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，一般都會選擇使用隔離電源模塊對PCB不同區(qū)塊進(jìn)行隔離供電，從最大限度上減少噪聲干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2 致遠(yuǎn)電子3W寬壓隔離電源模塊

另外，在含有工業(yè)總線的嵌入式系統(tǒng)中，常常會面臨浪涌、電弧干擾、雷擊等惡劣環(huán)境，因此需要將總線部分和嵌入式系統(tǒng)部分進(jìn)行安全隔離。隔離不僅能消除接地環(huán)路的干擾，還能阻隔外界惡劣環(huán)境因素影響通過總線進(jìn)入核心系統(tǒng)，保證核心系統(tǒng)安全的作用。

二、性能VS 成本?

“性能”和“成本”是一對相愛相殺的冤家，讓多少工程師面臨兩難的選擇，多少辛辛苦苦做的方案，由于成本問題不得不放棄。是為了性能不顧成本?還是為了成本犧牲性能?怎樣平衡性能和成本，這是在產(chǎn)品設(shè)計中亙古不變的話題。

圖3 性能和成本之爭

對于同樣輸入輸出電壓的DC/DC電源模塊來說，輸出功率和工作溫度范圍是影響其成本的主要因素。電子器件工作溫度范圍一般分為：商業(yè)級(0~70℃)、工業(yè)級(-40~85℃)、車規(guī)級(-40~105℃)、軍品級(-55~125℃)等。由于溫度等級不同，對材料和制造工藝的要求不同，模塊成本就相差很大了。

如果在體積(封裝形式)一定的條件下實際使用功率已經(jīng)接近模塊額定功率，那么模塊標(biāo)稱的溫度范圍就必須嚴(yán)格滿足實際使用需求甚至略有余量。如果由于成本考慮選擇了較小溫度范圍的產(chǎn)品，實際使用溫度已經(jīng)逼近模塊極限溫度的情況，怎么辦呢?這時可以采用降額使用的辦法，即選擇功率或封裝更大一些的產(chǎn)品，這樣“大馬拉小車”，溫升低，能夠從一定程度上緩解這一矛盾。

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，但價格較高;要么選擇一般溫度范圍產(chǎn)品，價格低一些，功率余量和封裝形式就得大一些。到底怎樣選擇，就需要根據(jù)實際的情況，綜合考慮了。

三、功率余量留多少?10%、20%、還是30%?

“設(shè)計余量”，一個讓人又愛又恨的指標(biāo)。余量設(shè)計的本質(zhì)是預(yù)防意外，它雖然與品質(zhì)無關(guān)，但余量設(shè)計不足，會存在質(zhì)量問題的隱患，余量設(shè)計過大，又會造成成本的升高。

由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性，負(fù)載也具有多樣性，有的是阻性負(fù)載，有的是感性或容性負(fù)載，有的負(fù)載較穩(wěn)定，有的負(fù)載波動較大，有的甚至還會有空載、或滿載、或瞬間負(fù)載變大、或瞬間負(fù)載跌落的情況發(fā)生，這給確定電源模塊的功率等級造成一定的難度。

圖4 嵌入式開發(fā)應(yīng)用廣泛

一般情況下，負(fù)載電流的大小是決定功率的關(guān)鍵因素，為考慮到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和抗意外能力，建議根據(jù)實際情況，最小預(yù)留20%的設(shè)計余量，既實際使用中最大功率不超過電源模塊額定功率的80%，在這個功率范圍內(nèi)電源模塊各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。如果余量太大，造成資源浪費，如果余量太小則不利于溫升和可靠性。

對于波動較大的負(fù)載，設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足峰值電流不超過電源模塊最大承受范圍的基本原則，再根據(jù)負(fù)載波動的頻率，適當(dāng)?shù)募哟笤O(shè)計余量的方法，盡量提高可靠性。

四、隔離電壓越大越好?

隔離電壓，是隔離型DC/DC電源模塊的一個重要指標(biāo)，一般分1000VDC、1500VDC、2000VDC、3000VDC、6000VDC等規(guī)格，是指在一定時間內(nèi)(通常是1秒)電源模塊所能承受的、施加在輸入端和輸出端之間的最高電壓。隔離電壓等級越高，電源模塊內(nèi)部的保護(hù)器件和設(shè)計工藝要求就越高，從根本上講，就是成本越高。那么怎樣選擇合適的隔離電壓呢?

電源模塊的隔離電壓，需要根據(jù)應(yīng)用場合來選擇。一般場合使用對電源模塊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，加之嵌入式系統(tǒng)核心器件集成度高，封裝小，相對比較脆弱，因此一般應(yīng)用業(yè)界，普遍的隔離電壓水平為1500VDC或以上。但在一些特殊的行業(yè)，比如醫(yī)療，戶外通信基站，高壓電力等，對電源模塊的隔離度要求則更高。

在科技高速發(fā)展的當(dāng)下，產(chǎn)品快速開發(fā)已經(jīng)成為常態(tài)化，嵌入式系統(tǒng)強大的處理能力，弱化了硬件設(shè)計，將大量的工作交給了軟件。標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺，標(biāo)準(zhǔn)的接口，豐富的驅(qū)動，使產(chǎn)品快速成型推向市場成為可能。在越來越緊湊的項目周期下，越來越多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師已經(jīng)強烈的認(rèn)識到：正確合理地選用DC/DC電源模塊，不但可以省去電源設(shè)計、調(diào)試方面的麻煩，而且可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計水平，更重要的是，縮短了整個產(chǎn)品的研發(fā)周期。