• 選擇DC-DC模塊電源的重要性

    日期:11-14  點(diǎn)擊:  屬于:行業(yè)動(dòng)態(tài)

    一、為什么需要DC_DC模塊電源?
    DC-DC隔離模塊電源主要應用于分布式電源系統中,用以對電源系統實(shí)現隔離降低噪聲、電壓轉換、穩壓和保護功能。使用DC-DC隔離模塊電源的四大作用如下:
    其一,模塊電源采用隔離式設計,可以有效的隔離來(lái)自側設備帶來(lái)的共模干擾對系統的影響,使負載能夠穩定的工作。
    其二,不同的負載需要不同的供電電壓,例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等;信號采集用的運放則需要±15V;繼電器則需要12V,24V。而母線(xiàn)電壓多為24V,因此需要進(jìn)行電壓轉換。
    其三,母線(xiàn)電壓在長(cháng)距離傳輸過(guò)程中會(huì )存在線(xiàn)損,故到PCB板級時(shí)電壓較低,而負載需要穩定的電壓,因此需要寬壓輸入,穩壓輸出。
    其四,電源需要在異常情況下,保護系統的負載和本身不壞。
    那么,如何選擇DC-DC模塊電源?
    二、如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源
    1. 采用成熟的電源拓撲
    電源模塊的設計盡量選用成熟的電源拓撲,這些拓撲已經(jīng)經(jīng)過(guò)時(shí)間的考驗,成熟可靠。例如1-2W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拓撲,部分Forward拓撲。
    2. 全負載范圍內高效率
    高效率意味著(zhù)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)際應用中,電源都會(huì )選擇一定程度的降額設計,特別是在負載IC的功耗越來(lái)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,全負載范圍內高效率對于電源系統可靠性來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的參數,但往往被電源廠(chǎng)商忽略。大部分廠(chǎng)商為了技術(shù)手冊上的參數吸引客戶(hù),往往將滿(mǎn)載效率做到較高,但在5%-50%的負載情況下效率較低。

    3. 極限溫度特性
    電源模塊應用的地理區域非常寬廣,可能有熱帶的酷暑也有類(lèi)似俄羅斯冬天的嚴寒。因此要求DC-DC模塊的工作溫度范圍要求為-40度~85度,如果在汽車(chē)BMS、高壓母線(xiàn)監測應用,則需要工作溫度為-40度~125度。
    極限溫度試驗是能檢驗電源模塊可靠性的方法,例如高溫老化、高溫&低溫帶電工作性能測試、高低溫循環(huán)沖擊試驗和長(cháng)時(shí)間高溫高濕測試等。正規的電源開(kāi)發(fā)都會(huì )經(jīng)過(guò)以上測試。因此,是否有此類(lèi)測試設備也成為了判斷電源廠(chǎng)商是否為山寨廠(chǎng)商的依據。
    4. 高隔離、低隔離電容
    醫療產(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系統的影響。如果在醫療或電力電子應用,1-2W DC_DC建議選取隔離電容低于10pF左右的電源模塊,寬壓產(chǎn)品則盡量選取低于150pF的電源模塊。
    5. EMC特性
    EMC性能是電子系統正常、安全工作的保證,目前電子行業(yè)對產(chǎn)品的EMC性能都提出了很高的要求,我們經(jīng)常遇到客戶(hù)抱怨因EMC處理不好導致系統的復位重啟甚至是早期失效,因此優(yōu)良的EMC特性是電源模塊競爭力。
    三、電源系統應用設計的可靠性
    電源本身的可靠性固然重要,但是實(shí)際上,由于電源系統工作環(huán)境的復雜性,再可靠的電源如果沒(méi)有可靠的系統應用設計,終電源還是會(huì )失效。下面介紹幾種常見(jiàn)的電源系統應用設計的方法和注意事項。 

    2. 降額設計
    眾所周知,降額設計可以有效提高電源工作壽命,但是負載過(guò)輕使用,電源的性能又無(wú)法工作在狀態(tài)。 例如,金升陽(yáng)DC_DC模塊電源建議在負載范圍30%~80%內使用,此時(shí)各方面性能表現。
    3. 合理外圍防護設計
    電源模塊應用行業(yè)非常多,應用的環(huán)境要求也不近相同,因為其通用性設計,DC-DC模塊電源僅能滿(mǎn)足通用共性需求。因此當客戶(hù)的應用環(huán)境要求苛刻時(shí),需要加適當的外圍電路來(lái)提升電源的可靠性。
    單獨模塊只能通過(guò)EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1S測試,但因為體積原因沒(méi)有辦法通過(guò)RIA12的標準,通過(guò)添加外圍電路就能通過(guò)RIA12要求的3.5Vin/20mS的等測試要求。 因而合理的外圍電路設計可以使模塊滿(mǎn)足更高等級的技術(shù)規格,使之適應更惡劣的應用環(huán)境,提升電源模塊的可靠性。
    4. 散熱設計
    工業(yè)級的電源模塊的損壞大約有15%是因為散熱不良導致的,電源模塊是朝著(zhù)小型化和集成化方向發(fā)展,但是很多應用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續工作的,如果積熱無(wú)法散出去,電源內部的器件可能因為超過(guò)熱應力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強制性散熱風(fēng)扇等。熱設計的幾點(diǎn)經(jīng)驗分享如下:
    (1) 電源模塊的對流通風(fēng)
    對于依靠自然對流和熱輻射來(lái)散熱的電源模塊,周?chē)h(huán)境一定要便于對流通風(fēng),且周?chē)鸁o(wú)大器件遮擋,便于空氣流通。
    (2) 發(fā)熱器件的放置
    如果系統中擁有多個(gè)發(fā)熱源例如多個(gè)電源模塊,相互之間應盡量遠離,避免相互之間熱輻射傳遞導致電源模塊過(guò)熱。
    (3) 合理的PCB板設計
    PCB板提供了一種散熱途徑,在設計時(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,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,導致產(chǎn)品積熱無(wú)法散發(fā)出去。
    (4) 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,或者使用導熱膠將電源模塊外殼與機殼連接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積,散熱會(huì )更快,內部的溫度會(huì )更低,電源的可靠性自然也就越高。
    5. 匹配性設計、安規設計
    電源的輸入走線(xiàn)盡量保持直線(xiàn),避免形成環(huán)路天線(xiàn)吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)需要按照UL60950的安規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(xiàn),特別是信號線(xiàn),電源變壓器的電磁線(xiàn)會(huì )對信號形成干擾。
    另外一個(gè)設計師需注意的是,需要關(guān)注電源和二次電源之間,以及電源與系統工作頻率的倍頻錯開(kāi),避開(kāi)相互之間的系統匹配性問(wèn)題。
    五、小結
    DC_DC電源模塊的可靠應用需要電源原廠(chǎng)提供高品質(zhì)電源,同時(shí)也需要設計工程師合理的應用設計,只有從設計和應用雙向考慮才能終獲得可靠的電源系統。

     

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