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技術方案

幾點不可忽視電源模塊的應用設計

來源:網絡 作者:深圳德意志工業 時間:2017-07-02 17:30

DC-DC模塊電源越來越多地應用于通信、工業自動化、電力控制、軌道交通、礦業、軍工等行業。模塊化的設計可以有效簡化客戶的電路設計,提升系統的可靠性和維護效率。那么,如何提升基于DC-DC模塊的電源系統的可靠性?本文就這個主題作簡要分析與探討。

華為電源模塊

  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隔離模塊電源的作用如下:

  第一,模塊電源采用隔離式設計,可以有效隔離來自一次側設備帶來的共模干擾對系統的影響,使負載能夠穩定工作。

  第二,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;而母線電壓多為24V,因此需要進行電壓轉換。

  第三,母線電壓在長距離傳輸過程中會存在線損,故到PCB板級時電壓較低,而負載需要穩定的電壓,因此需要寬壓輸入,穩壓輸出。

  第四,電源需要在異常情況下,保護系統的負載和本身不壞。

  如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源

  采用成熟的電源拓撲

  電源模塊的設計盡量選用成熟的電源拓撲。例如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拓撲,部分選Forward拓撲。

  全負載范圍內高效率

  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。在實際應用中,電源都會選擇一定程度的降額設計,特別是在負載IC的功耗越來越低的今天,電源大部分時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說是非常關鍵的參數,但往往被電源廠商忽略。大部分廠商為了技術手冊上的參數吸引客戶,往往將滿載效率做到較高,但在5%~50%的負載情況下效率較低。

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,也有類似俄羅斯冬天的嚴寒。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,

  極限溫度試驗是最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、高低溫循環沖擊試驗和長時間高溫高濕測試等。正規的電源開發都會經過以上測試。因此,是否有此類測試設備也成為了判斷電源廠商是否為山寨廠商的依據。

  高隔離、低隔離電容

  醫療產品要求極低的漏電流,電力電子產品需要原邊和次級之間盡量少寄生電容。這兩個行業有一個共性的需求,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領域應用,1W~2W DC-DC建議選取隔離電容低于10pF的電源模塊,寬壓產品則盡量選取低于150pF的電源模塊。

  EMC特性

  EMC性能是電子系統正常、安全工作的保證,目前電子行業對產品的EMC性能都提出了很高的要求,客戶經常抱怨因EMC處理不好導致系統的復位重啟甚至是早期失效,因此優良的EMC特性是電源模塊核心競爭力。

  電源系統應用設計的可靠性

  電源本身的可靠性固然重要,但是實際上,由于電源系統工作環境的復雜性,再可靠的電源如果沒有可靠的系統應用設計,最終電源還是會失效。下面介紹幾種常見的電源系統應用設計的方法和注意事項。

  冗余設計技巧

  在可靠性要求高的場合,要求電源模塊即使損壞,系統也不能斷電。此時,可以采取冗余供電的方式來提升系統的可靠性。其中一種常見的冗余設計方案。當一個電源模塊損壞時,另外一個模塊可以繼續供電。

  

  建議使用低壓降的肖特基二極管,以避免二極管的壓降影響后端系統的工作,另外,二極管的耐壓值要高于輸出電壓。這種方法會產生額外的紋波噪聲,需外接電容來減小紋波或是加濾波電路。

  降額設計

  眾所周知,降額設計可以有效提高電源工作壽命,但是負載過輕使用,電源的性能又無法工作在最佳狀態。例如,金升陽DC-DC模塊電源建議在負載范圍30%~80%內使用,此時各方面性能表現最佳。

  合理外圍防護設計

  電源模塊應用行業非常多,應用的環境要求也不近相同,因為其通用性設計,DCDC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當客戶的應用環境要求苛刻時,需要加適當的外圍電路來提升電源的可靠性。

  散熱設計

  工業級電源模塊的損壞大約有15%是因為散熱不良導致的,電源模塊是朝著小型化和集成化方向發展的,但是很多應用場合電源是處于密閉的環境中連續工作的,如果積熱無法散出去,電源內部的器件可能因為超過熱應力而損壞。通常的散熱方式有自然風冷、散熱片散熱和加強制性散熱風扇等。熱設計的幾點經驗分享如下:

  電源模塊的對流通風。對于依靠自然對流和熱輻射來散熱的電源模塊,周圍環境一定要便于對流通風,且周圍無大器件遮擋,便于空氣流通。

  發熱器件的放置。如果系統中擁有多個發熱源例如多個電源模塊,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熱。

  合理的PCB板設計。PCB板提供了一種散熱途徑,在設計時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,例如電源模塊應盡量垂直放置,可以使熱量盡快向上散發;如果將DC-DC模塊放在PCB的底部,則向上散發的熱量會被PCB阻擋,導致產品積熱無法散發出去。

  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,散熱會更快,內部的溫度會更低,電源的可靠性自然也就越高。

  匹配性設計、安規設計。電源的輸入走線盡量保持直線,避免形成環路天線吸引外界輻射干擾。同時輸入線和輸出線需要按照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,特別是信號線、電源變壓器的電磁線會對信號形成干擾。

  另外一個設計師需注意的是,需要關注一次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,避開相互之間的系統匹配性問題。


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