電源模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)和品質(zhì)同樣重要
來源： 發(fā)布時(shí)間：2020-04-10 10:24:52 1223 次瀏覽
DC-DC模塊電源越來越多地應(yīng)用于通信、工業(yè)自動(dòng)化、電力控制、軌道交通、礦業(yè)、軍工等行業(yè)。模塊化的設(shè)計(jì)可以有效簡(jiǎn)化客戶的電路設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)效率。那么，如何提升基于DC-DC模塊的電源系統(tǒng)的可靠性？本文就這個(gè)主題作簡(jiǎn)要分析與探討。
為什么需要DC-DC模塊電源？
DC-DC隔離模塊電源主要應(yīng)用于分布式電源系統(tǒng)中，用以對(duì)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隔離降低噪聲、電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓和保護(hù)功能。使用DC-DC隔離模塊電源的作用如下：
第一，模塊電源采用隔離式設(shè)計(jì)，可以有效隔離來自一次側(cè)設(shè)備帶來的共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，使負(fù)載能夠穩(wěn)定工作。
第二，不同的負(fù)載需要不同的供電電壓，例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信號(hào)采集用的運(yùn)放則需要±15V；繼電器則需要12V、24V；而母線電壓多為24V，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。
第三，母線電壓在長(zhǎng)距離傳輸過程中會(huì)存在線損，故到PCB板級(jí)時(shí)電壓較低，而負(fù)載需要穩(wěn)定的電壓，因此需要寬壓輸入，穩(wěn)壓輸出。
第四，電源需要在異常情況下，保護(hù)系統(tǒng)的負(fù)載和本身不壞。
如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源
采用成熟的電源拓?fù)?/span>
電源模塊的設(shè)計(jì)盡量選用成熟的電源拓?fù)洹＠?/span>1W～2W的定壓輸入DC-DC電源模塊選擇Royer電路，而寬壓輸入系列則多選Flyback拓?fù)洌糠诌xForward拓?fù)洹?/span>
全負(fù)載范圍內(nèi)高效率
高效率意味著更低的功率損失和更低的溫升，可以有效提高可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，電源都會(huì)選擇一定程度的降額設(shè)計(jì)，特別是在負(fù)載IC的功耗越來越低的今天，電源大部分時(shí)候都有可能在輕載情況下工作。因此，全負(fù)載范圍內(nèi)高效率對(duì)于電源系統(tǒng)可靠性來說是非常關(guān)鍵的參數(shù)，但往往被電源廠商忽略。大部分廠商為了技術(shù)手冊(cè)上的參數(shù)吸引客戶，往往將滿載效率做到較高，但在5%～50%的負(fù)載情況下效率較低。
以卓軒電源的15W DC-DC模塊電源ZXD15-24S15為例，ZXD15-24S15在額定電壓24V輸入時(shí)輕載10%的效率比主流同行水平高出15%，通過效率的提升也可以有效降低產(chǎn)品的外殼溫升，ZXD15-24S15在實(shí)際負(fù)載工作時(shí)的溫升要低13.8℃。
極限溫度特性
電源模塊應(yīng)用的地理區(qū)域非常寬廣，可能有熱帶的酷暑，也有類似俄羅斯冬天的嚴(yán)寒。因此要求DC-DC模塊的工作溫度范圍最低要求為-40℃～85℃，也有做到更好的，如果在汽車BMS、高壓母線監(jiān)測(cè)應(yīng)用，則需要工作溫度為-40℃～125℃，卓軒電源基板式電源工作溫度可做到125℃。
極限溫度試驗(yàn)是最能檢驗(yàn)電源模塊可靠性的方法，例如高溫老化、高溫
高隔離、低隔離電容
醫(yī)療產(chǎn)品要求極低的漏電流，電力電子產(chǎn)品需要原邊和次級(jí)之間盡量少寄生電容。這兩個(gè)行業(yè)有一個(gè)共性的需求，即要求盡量高的隔離耐壓和盡量低的隔離電容，用以降低共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。如果在醫(yī)療或電力電子領(lǐng)域應(yīng)用，1W～2W DC-DC建議選取隔離電容低于10pF的電源模塊，寬壓產(chǎn)品則盡量選取低于150pF的電源模塊。
EMC特性
EMC性能是電子系統(tǒng)正常、安全工作的保證，目前電子行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的EMC性能都提出了很高的要求，客戶經(jīng)常抱怨因EMC處理不好導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)位重啟甚至是早期失效，因此優(yōu)良的EMC特性是電源模塊核心競(jìng)爭(zhēng)力。
電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的可靠性
電源本身的可靠性固然重要，但是實(shí)際上，由于電源系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，最終電源還是會(huì)失效。下面介紹幾種常見的電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法和注意事項(xiàng)。
冗余設(shè)計(jì)技巧
在可靠性要求高的場(chǎng)合，要求電源模塊即使損壞，系統(tǒng)也不能斷電。此時(shí)，可以采取冗余供電的方式來提升系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)一個(gè)電源模塊損壞時(shí)，另外一個(gè)模塊可以繼續(xù)供電。
降額設(shè)計(jì)
眾所周知，降額設(shè)計(jì)可以有效提高電源工作壽命，但是負(fù)載過輕使用，電源的性能又無法工作在最佳狀態(tài)。例如，卓軒電子 DC-DC模塊電源建議在負(fù)載范圍30%～80%內(nèi)使用，此時(shí)各方面性能表現(xiàn)最佳。
合理外圍防護(hù)設(shè)計(jì)
電源模塊應(yīng)用行業(yè)非常多，應(yīng)用的環(huán)境要求也不近相同，因?yàn)槠渫ㄓ眯栽O(shè)計(jì)，DCDC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當(dāng)客戶的應(yīng)用環(huán)境要求苛刻時(shí)，需要加適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪硖嵘娫吹目煽啃浴?/span>
以卓軒電子20W DC-DC鐵路電源ZXD20-110S24為例，單獨(dú)模塊只能通過EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1s測(cè)試，但因?yàn)轶w積原因沒有辦法通過RIA12的標(biāo)準(zhǔn)，通過添加外圍電路就能通過RIA12要求的3.5Vin/20ms的等測(cè)試要求。
因而合理的外圍電路設(shè)計(jì)可以使模塊滿足更高等級(jí)的技術(shù)規(guī)格，使之適應(yīng)更惡劣的應(yīng)用環(huán)境，提升電源模塊的可靠性。
散熱設(shè)計(jì)
工業(yè)級(jí)電源模塊的損壞大約有15%是因?yàn)樯岵涣紝?dǎo)致的，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發(fā)展的，但是很多應(yīng)用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續(xù)工作的，如果積熱無法散出去，電源內(nèi)部的器件可能因?yàn)槌^熱應(yīng)力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強(qiáng)制性散熱風(fēng)扇等。熱設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)分享如下：
電源模塊的對(duì)流通風(fēng)。對(duì)于依靠自然對(duì)流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環(huán)境一定要便于對(duì)流通風(fēng)，且周圍無大器件遮擋，便于空氣流通。
發(fā)熱器件的放置。如果系統(tǒng)中擁有多個(gè)發(fā)熱源例如多個(gè)電源模塊，相互之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，避免相互之間熱輻射傳遞導(dǎo)致電源模塊過熱。
合理的PCB板設(shè)計(jì)。PCB板提供了一種散熱途徑，在設(shè)計(jì)時(shí)就要多考慮散熱途徑。例如加大主回路的銅皮面積，降低PCB板上元器件的密度等，改善模塊的散熱面積和散熱通道，例如電源模塊應(yīng)盡量垂直放置，可以使熱量盡快向上散發(fā)；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發(fā)的熱量會(huì)被PCB阻擋，導(dǎo)致產(chǎn)品積熱無法散發(fā)出去。
更大封裝尺寸和散熱面積。同樣功率的電源，如果可能盡量選擇尺寸更大的封裝和散熱面更大的散熱器，或者使用導(dǎo)熱膠將電源模塊外殼與機(jī)殼連接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積，散熱會(huì)更快，內(nèi)部的溫度會(huì)更低，電源的可靠性自然也就越高。
匹配性設(shè)計(jì)、安規(guī)設(shè)計(jì)。電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環(huán)路天線吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線和輸出線需要按照UL60950的安規(guī)要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止布線，特別是信號(hào)線、電源變壓器的電磁線會(huì)對(duì)信號(hào)形成干擾。
另外一個(gè)設(shè)計(jì)師需注意的是，需要關(guān)注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統(tǒng)工作頻率的倍頻錯(cuò)開，避開相互之間的系統(tǒng)匹配性問題。
為什么需要DC-DC模塊電源？
DC-DC隔離模塊電源主要應(yīng)用于分布式電源系統(tǒng)中，用以對(duì)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隔離降低噪聲、電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓和保護(hù)功能。使用DC-DC隔離模塊電源的作用如下：
第一，模塊電源采用隔離式設(shè)計(jì)，可以有效隔離來自一次側(cè)設(shè)備帶來的共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，使負(fù)載能夠穩(wěn)定工作。
第二，不同的負(fù)載需要不同的供電電壓，例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信號(hào)采集用的運(yùn)放則需要±15V；繼電器則需要12V、24V；而母線電壓多為24V，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。
第三，母線電壓在長(zhǎng)距離傳輸過程中會(huì)存在線損，故到PCB板級(jí)時(shí)電壓較低，而負(fù)載需要穩(wěn)定的電壓，因此需要寬壓輸入，穩(wěn)壓輸出。
第四，電源需要在異常情況下，保護(hù)系統(tǒng)的負(fù)載和本身不壞。
如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源
采用成熟的電源拓?fù)?/span>
電源模塊的設(shè)計(jì)盡量選用成熟的電源拓?fù)洹＠?/span>1W～2W的定壓輸入DC-DC電源模塊選擇Royer電路，而寬壓輸入系列則多選Flyback拓?fù)洌糠诌xForward拓?fù)洹?/span>
全負(fù)載范圍內(nèi)高效率
高效率意味著更低的功率損失和更低的溫升，可以有效提高可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，電源都會(huì)選擇一定程度的降額設(shè)計(jì)，特別是在負(fù)載IC的功耗越來越低的今天，電源大部分時(shí)候都有可能在輕載情況下工作。因此，全負(fù)載范圍內(nèi)高效率對(duì)于電源系統(tǒng)可靠性來說是非常關(guān)鍵的參數(shù)，但往往被電源廠商忽略。大部分廠商為了技術(shù)手冊(cè)上的參數(shù)吸引客戶，往往將滿載效率做到較高，但在5%～50%的負(fù)載情況下效率較低。
以卓軒電源的15W DC-DC模塊電源ZXD15-24S15為例，ZXD15-24S15在額定電壓24V輸入時(shí)輕載10%的效率比主流同行水平高出15%，通過效率的提升也可以有效降低產(chǎn)品的外殼溫升，ZXD15-24S15在實(shí)際負(fù)載工作時(shí)的溫升要低13.8℃。
極限溫度特性
電源模塊應(yīng)用的地理區(qū)域非常寬廣，可能有熱帶的酷暑，也有類似俄羅斯冬天的嚴(yán)寒。因此要求DC-DC模塊的工作溫度范圍最低要求為-40℃～85℃，也有做到更好的，如果在汽車BMS、高壓母線監(jiān)測(cè)應(yīng)用，則需要工作溫度為-40℃～125℃，卓軒電源基板式電源工作溫度可做到125℃。
極限溫度試驗(yàn)是最能檢驗(yàn)電源模塊可靠性的方法，例如高溫老化、高溫
高隔離、低隔離電容
醫(yī)療產(chǎn)品要求極低的漏電流，電力電子產(chǎn)品需要原邊和次級(jí)之間盡量少寄生電容。這兩個(gè)行業(yè)有一個(gè)共性的需求，即要求盡量高的隔離耐壓和盡量低的隔離電容，用以降低共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。如果在醫(yī)療或電力電子領(lǐng)域應(yīng)用，1W～2W DC-DC建議選取隔離電容低于10pF的電源模塊，寬壓產(chǎn)品則盡量選取低于150pF的電源模塊。
EMC特性
EMC性能是電子系統(tǒng)正常、安全工作的保證，目前電子行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的EMC性能都提出了很高的要求，客戶經(jīng)常抱怨因EMC處理不好導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)位重啟甚至是早期失效，因此優(yōu)良的EMC特性是電源模塊核心競(jìng)爭(zhēng)力。
電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的可靠性
電源本身的可靠性固然重要，但是實(shí)際上，由于電源系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，最終電源還是會(huì)失效。下面介紹幾種常見的電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法和注意事項(xiàng)。
冗余設(shè)計(jì)技巧
在可靠性要求高的場(chǎng)合，要求電源模塊即使損壞，系統(tǒng)也不能斷電。此時(shí)，可以采取冗余供電的方式來提升系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)一個(gè)電源模塊損壞時(shí)，另外一個(gè)模塊可以繼續(xù)供電。
降額設(shè)計(jì)
眾所周知，降額設(shè)計(jì)可以有效提高電源工作壽命，但是負(fù)載過輕使用，電源的性能又無法工作在最佳狀態(tài)。例如，卓軒電子 DC-DC模塊電源建議在負(fù)載范圍30%～80%內(nèi)使用，此時(shí)各方面性能表現(xiàn)最佳。
合理外圍防護(hù)設(shè)計(jì)
電源模塊應(yīng)用行業(yè)非常多，應(yīng)用的環(huán)境要求也不近相同，因?yàn)槠渫ㄓ眯栽O(shè)計(jì)，DCDC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當(dāng)客戶的應(yīng)用環(huán)境要求苛刻時(shí)，需要加適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪硖嵘娫吹目煽啃浴?/span>
以卓軒電子20W DC-DC鐵路電源ZXD20-110S24為例，單獨(dú)模塊只能通過EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1s測(cè)試，但因?yàn)轶w積原因沒有辦法通過RIA12的標(biāo)準(zhǔn)，通過添加外圍電路就能通過RIA12要求的3.5Vin/20ms的等測(cè)試要求。
因而合理的外圍電路設(shè)計(jì)可以使模塊滿足更高等級(jí)的技術(shù)規(guī)格，使之適應(yīng)更惡劣的應(yīng)用環(huán)境，提升電源模塊的可靠性。
散熱設(shè)計(jì)
工業(yè)級(jí)電源模塊的損壞大約有15%是因?yàn)樯岵涣紝?dǎo)致的，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發(fā)展的，但是很多應(yīng)用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續(xù)工作的，如果積熱無法散出去，電源內(nèi)部的器件可能因?yàn)槌^熱應(yīng)力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強(qiáng)制性散熱風(fēng)扇等。熱設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)分享如下：
電源模塊的對(duì)流通風(fēng)。對(duì)于依靠自然對(duì)流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環(huán)境一定要便于對(duì)流通風(fēng)，且周圍無大器件遮擋，便于空氣流通。
發(fā)熱器件的放置。如果系統(tǒng)中擁有多個(gè)發(fā)熱源例如多個(gè)電源模塊，相互之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，避免相互之間熱輻射傳遞導(dǎo)致電源模塊過熱。
合理的PCB板設(shè)計(jì)。PCB板提供了一種散熱途徑，在設(shè)計(jì)時(shí)就要多考慮散熱途徑。例如加大主回路的銅皮面積，降低PCB板上元器件的密度等，改善模塊的散熱面積和散熱通道，例如電源模塊應(yīng)盡量垂直放置，可以使熱量盡快向上散發(fā)；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發(fā)的熱量會(huì)被PCB阻擋，導(dǎo)致產(chǎn)品積熱無法散發(fā)出去。
更大封裝尺寸和散熱面積。同樣功率的電源，如果可能盡量選擇尺寸更大的封裝和散熱面更大的散熱器，或者使用導(dǎo)熱膠將電源模塊外殼與機(jī)殼連接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積，散熱會(huì)更快，內(nèi)部的溫度會(huì)更低，電源的可靠性自然也就越高。
匹配性設(shè)計(jì)、安規(guī)設(shè)計(jì)。電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環(huán)路天線吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線和輸出線需要按照UL60950的安規(guī)要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止布線，特別是信號(hào)線、電源變壓器的電磁線會(huì)對(duì)信號(hào)形成干擾。
另外一個(gè)設(shè)計(jì)師需注意的是，需要關(guān)注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統(tǒng)工作頻率的倍頻錯(cuò)開，避開相互之間的系統(tǒng)匹配性問題。
