DC/DC直流模塊電源以其體積小巧、性能卓異、使用方便的顯著(zhù)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用。很多系統設計人員已經(jīng)意識到：正確合理地選用DC/DC直流模塊電源，可以省卻電源設計、調試方面的麻煩，將主要精力集中在自己專(zhuān)業(yè)的領(lǐng)域，這樣不僅可以提高整體系統的可靠性和設計水平，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)競爭中領(lǐng)先致勝贏(yíng)得了寶貴商機。那么，怎樣正確合理地選用DC/DC直流模塊電源呢，筆者將從DC/DC直流模塊電源開(kāi)發(fā)設計的角度，談一談這方面的問(wèn)題，以供廣大系統設計人員參考。
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)功率范圍內模塊電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩定可靠。負載太輕造成資源浪費，太重則對溫升、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(cháng)時(shí)間工作在過(guò)載條件下，畢竟這是一種短時(shí)應急之計。
封裝形式
DC/DC直流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??；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標準的要求，該標準對SMT器件引腳的共面問(wèn)題做出了嚴格限定。器件引腳不共面會(huì )造成器件裝配時(shí)定位困難，嚴重影響焊接質(zhì)量，提高次品率。
SMT形式的變換器應能承受規定的焊接條件。對于絕大多數現代流水線(xiàn)而言，器件必須滿(mǎn)足CEC00802標準所規定的回流焊要求，即器件表面溫度可超過(guò)300℃。如果變換器不能滿(mǎn)足這個(gè)要求，就需要為其設計專(zhuān)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。
封裝形式
模塊電源的封裝形式多種多樣，符合國際標準的也有，非標準的也有，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，這樣才能給系統其他部分更多空間更多功能；
② 盡量選擇符合國際標準封裝的產(chǎn)品，因為兼容性較好，不局限于一兩個(gè)供貨廠(chǎng)家；
③ 應具有可擴展性，便于系統擴容和升級。選擇一種封裝，系統由于功能升級對電源功率的要求提高,電源模塊封裝依然不變,系統線(xiàn)路板設計可以不必改動(dòng),從而大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品升級更新?lián)Q代，節約時(shí)間。全部符合國際標準，為業(yè)界廣泛采用的半磚、全磚封裝，與VICOR、 LAMBDA等著(zhù)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(chǎng)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，因為溫度等級不同材料和制造工藝不同價(jià)格就相差很大，選擇不當還會(huì )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，那么模塊標稱(chēng)的溫度范圍就必須嚴格滿(mǎn)足實(shí)際需要甚至略有裕量。
二是根據溫度范圍來(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(chē)”，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。應折衷考慮。
商品級(0 ℃ 到+70 ℃)
工業(yè)級(-40 ℃ 到+85 ℃)
軍用級(-55 ℃到+125 ℃)
變頻與定頻
和所有開(kāi)關(guān)型器件一樣，DC/DC直流變換器在工作時(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。集成化的DC/DC直流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負載狀況進(jìn)行不斷調整，所以會(huì )導致頻帶展寬，增加濾波器的復雜度。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)響應也更好，但是對元器件特別是磁性材料的要求也越高，成本會(huì )有增加，所以國內模塊電源產(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(mǎn)足負載變條件下動(dòng)態(tài)響應的要求，因此高要求場(chǎng)合應用要考慮采用高開(kāi)關(guān)頻率的產(chǎn)品。另外一方面當模塊電源開(kāi)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)。
隔離度
絕大多數的電路都必須實(shí)現隔離，即將負載連同負載對本地電源的噪聲與電網(wǎng)的其他負載和噪聲隔開(kāi)。只有隔離變換器能夠達到這個(gè)要求。
采用隔離變換器除了實(shí)現上述要求之外，還可以實(shí)現差分形式的輸出，以及雙極型輸出。
此外，將隔離型變換器的輸出高壓端與負載的電源地相連，就形成了負電源。由于電壓參考點(diǎn)不是地，因此負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聯(lián)起來(lái)，構成一個(gè)電源。對于那些單個(gè)變換器的輸出電壓達不到工作電壓要求的設備，這種特性非常有用。
在一定時(shí)限內(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(chēng)為變換器的隔離強度。而變換器的額定工作電壓是指變換器能長(cháng)時(shí)間承受的加在輸入端的電壓，這個(gè)電壓低于隔離強度。
在選擇隔離型變換器時(shí)還需要考慮器件的泄漏電流指標，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，就可以根據阻抗計算出泄漏電容的大小。
泄漏電流隨噪聲電壓的增加而增大，隨隔離電容的減小而減小。因此，設計低噪聲電源時(shí)，應該選擇隔離強度高而隔離電容低的DC/DC直流變換器，以減小泄漏電流。
通常在醫療設備里需要很高的隔離電壓,這樣的話(huà),漏電流就小,對身體的危害就小.
一般場(chǎng)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(chēng)為瞬態(tài)過(guò)電，是電路中出現的一種短暫的電流、電壓波動(dòng),在電路中通常持續約百萬(wàn)分之一秒。220 伏電路系統中持續瞬間(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?xún)蓚€(gè)方面：外部電涌和內部電涌。
來(lái)自外部的電涌： 最主要的來(lái)源是雷電。當云層中有電荷集蓄，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若干百萬(wàn)伏，發(fā)生雷擊時(shí),以若干千安計的電流通過(guò)雷擊放電，經(jīng)過(guò)所有的設備和大地返回云層，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備。如果雷電擊中了附近的電力線(xiàn)，部分電流將沿線(xiàn)進(jìn)入建筑物，這股巨大的電流就會(huì )直接擾亂或破壞計算機和其它敏感的電氣設備,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(xiàn)上產(chǎn)生的過(guò)電壓。
來(lái)自?xún)炔康碾娪浚?88％的電涌產(chǎn)生于建筑物內部的設備，如：空調、電梯、電焊機、空氣壓縮機、水泵、開(kāi)關(guān)電源、復印機和其它感應性負荷。 電涌對計算機和其它敏感電氣設備的危害：
計算機技術(shù)發(fā)展至今，多層、超規模的集層芯片，電路密集，趨向是集成度更高、元器件間隙更小、導線(xiàn)更細。幾年前，一平方厘米的計算機芯片有 2,000個(gè)晶體管而現在的奔騰機則超過(guò)10,000,000個(gè)。從而增加了計算機受電涌損壞的概率。
由于計算機的設計和結構決定了它應在特定的電壓范圍內工作。當電涌超出計算機能承受的水平時(shí)，計算機將出現數據亂碼，芯片被損壞，部件提前老化，這些癥狀包括：出乎預料的數據錯誤，接收/輸送數據的失敗，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。
雷電電涌遠遠超出了計算機和其它電氣設備所能承受的水平，絕大多數情況下，造成計算機和其它電器設備的當即毀壞，或數據的永遠丟失。即使是一個(gè)20馬力的小型感應式發(fā)動(dòng)機的啟動(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算機在每一次電涌中都會(huì )受到損壞或干擾，這種電涌的次數非常頻繁。
電涌會(huì )損壞那些電氣設備？
含有微處理器的電氣設備極易受到電涌的損壞，這包括計算機和計算機的輔助設備、程序控制器、PLC、傳真機、電話(huà)、留言機等；程控交換機、廣播電視發(fā)送機、微波中繼設備；家電行業(yè)的產(chǎn)品包括電視、音響、微波爐、錄像機、洗衣機、烘干機和電冰箱等。美國的調查數據表明，在保修期內出現問(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)自電氣裝置內部，即來(lái)自電氣裝置內的電器設備。
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(lèi)有害的電源擾動(dòng)都可擾亂計算機和微機信息處理系統的工作，引起停工或永久性設備損壞。
當云層上有電荷儲蓄，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若干百萬(wàn)伏。發(fā)生雷擊時(shí)以若干千安計的電流通過(guò)雷擊放電，經(jīng)過(guò)所有設備和大地返回云層，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備。電涌防護的關(guān)鍵概念是給雷電感應電流提供一個(gè)通向大地的短捷有效的通路。這樣雷電涌流將從設備外分流。
大的雷擊電流值常被例舉應用，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器的泄放電流規定為20000A（見(jiàn)參考資料TR-NWT-001011）。雖然他們按經(jīng)驗將出現在其電氣設備裝置中的最大尖峰電流定為10000A，他們仍取100%的安全系數，即將電涌防護器的泄放電流規定為2000A。
在線(xiàn)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）的機會(huì )只占總雷擊機會(huì )的0.5%。如此大的雷擊電流極少出現在建筑物電源進(jìn)線(xiàn)處，但仍須重視對這種外來(lái)電涌的防范。
來(lái)自?xún)炔康碾娪?來(lái)自?xún)炔康碾娪渴墙?jīng)常發(fā)生的，諸如來(lái)自空調機、空壓機、電弧焊機、電泵、電梯、開(kāi)關(guān)電源和其它一些感性負荷的電涌。例如一臺20hp的感應電動(dòng)機（線(xiàn)電壓230V，4級，Y結線(xiàn)）在最大轉矩時(shí)每相具有約39J的儲存能量，當其標稱(chēng)方根值電流被截斷時(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(xiàn)上的過(guò)電壓防護器可以保護電氣設備不受內部電涌的危害。它不能，它只能對沿電源線(xiàn)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(xiàn)防護器距內部電涌發(fā)生處的距離太遠。
平均故障間隔時(shí)間
很多DPA系統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(shuō)明書(shū)上的數據是不能評價(jià)某個(gè)產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣的。
造成這個(gè)問(wèn)題的原因是，目前國際上尚未制定出公認的關(guān)于MTTF指標的定義和計算標準，各廠(chǎng)商普遍使用的是美國軍用標準MIL-HDBK-217F中的“一般情況下的”可靠性預測方法，以及Bellcore標準TR-NWT-000332中的電信設備模型。不過(guò)，即便是聲稱(chēng)遵照同一標準推算出來(lái)的MTTF指標，常常也不一致。
這種不一致的第一個(gè)來(lái)源，是計算公式中對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，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。舉個(gè)例子，某些廠(chǎng)商采用MIL-HDBK-217F中的器件數據和故障率數據，另外一些廠(chǎng)商則采用其他渠道的數據；第三個(gè)來(lái)源是具體的計算方法差異(即便是MIL-HDBK，也給出了兩種不同的預測工具)。當然，在變換器投入使用之前，任何MTTF指標都毫無(wú)意義。
溫度對可靠性有顯著(zhù)的影響，經(jīng)驗公式是：環(huán)境溫度每升高10℃，器件壽命將縮短一半。如果主要的設備需要在40℃～50℃條件下運行，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指標就失去了意義。
實(shí)踐證明，設計人員必須透過(guò)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的數據，深入地理解廠(chǎng)商推算MTTF的方法。必須去查詢(xún)推算的詳細步驟，知道原始數據的來(lái)源及其測量條件，對于那些無(wú)法提供詳細資料的廠(chǎng)商，應該對其指標持保留態(tài)度。
C的模塊的MTBF增大20%。而在較高的溫度下，MTBF迅速下降。因此盡量降低模塊的溫度對提高其可靠性有很大好處° 本公司提供的可靠性參數MTBF是根據MIL-HDBK217可靠性預測的標準計算出來(lái)的，在計算過(guò)程中考慮現代器件的發(fā)展狀態(tài)，根據一些廠(chǎng)家提供的可靠性指標進(jìn)行了一定的修正。這里溫度是影響電源模塊整體可靠性的重要因素。一般每降低10
有關(guān)統計數據表明，模塊電源在預期有效時(shí)間內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率是很低的。因此延長(cháng)模塊電源壽命、提高系統可靠性的重要一環(huán)是選擇保護功能完善的產(chǎn)品，即在模塊電源外部電路出現故障時(shí)模塊電源能夠自動(dòng)進(jìn)入保護狀態(tài)而不至于永久失效，外部故障消失后應能自動(dòng)恢復正常。模塊電源的保護功能應至少包括輸入過(guò)壓、欠壓、軟啟動(dòng)保護；輸出過(guò)壓、過(guò)流、短路保護，大功率產(chǎn)品還應有過(guò)溫保護等。
功耗和效率
根據公式 ，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(cháng)。除了滿(mǎn)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），因為這兩個(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，可能持續較長(cháng)時(shí)間，短路損耗越小則因此失效的機率也大大減小。當然損耗越小也更符合節能的要求。
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、準諧振、零電壓/零電流脈寬調制技術(shù)（ZVS/ZCS-PWM）以及零電壓過(guò)渡/零電流過(guò)渡脈寬調制（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)應力，有助于變換器變換效率的提高。
穩壓精度
Line Regulation：指輸入電壓在最高和最低之間變化時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)范圍。
舉例： 一個(gè)12V輸入，5V輸出的電源模塊，當輸入變化1.2V，而輸出變化0.5V，這樣它的線(xiàn)性調整率就是1.2/12 / 0.5/5*%/%,等于1%/%
Load Regulation：電源負載的變化會(huì )引起電源輸出的變化，負載增加，輸出降低，相反負載減少，輸出升高。
舉例：一個(gè)48V輸入，5V輸出的電源模塊，在穩定輸入的情況下，0負載下輸出為5V，100%負載下輸出為5.1V，這樣它的負載調整率為0.1/5，即2%。
一般來(lái)說(shuō)負載/線(xiàn)性調整率差不多0.1%~0.5%左右。這個(gè)指標是衡量輸出電壓精度。
|
|
|
說(shuō)明:本頁(yè)面文章由()整理發(fā)布.文章地址： http:///hangyexinwen/483.html
|
手機掃描二維碼
