电源模块的应用设计和品质同样重要

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DC-DC模块电源越来越多地应用于通信、工业自动化、电力控制、轨道交通、矿业、军工等行业。模块化的设计可以有效简化客户的电路设计，提升系统的可靠性和维护效率。那么，如何提升基于DC-DC模块的电源系统的可靠性？本文就这个主题作简要分析与探讨。
       
        为什么需要DC-DC模块电源？
       
        DC-DC隔离模块电源主要应用于分布式电源系统中，用以对电源系统实现隔离降低噪声、电压转换、稳压和保护功能。使用DC-DC隔离模块电源的作用如下：
       
        第一，模块电源采用隔离式设计，可以有效隔离来自一次侧设备带来的共模干扰对系统的影响，使负载能够稳定工作。
       
        第二，不同的负载需要不同的供电电压，例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信号采集用的运放则需要±15V；继电器则需要12V、24V；而母线电压多为24V，因此需要进行电压转换。
       
        第三，母线电压在长距离传输过程中会存在线损，故到PCB板级时电压较低，而负载需要稳定的电压，因此需要宽压输入，稳压输出。
       
        第四，电源需要在异常情况下，保护系统的负载和本身不坏。
       
        如何选择高可靠性的DC-DC模块电源
       
        采用成熟的电源拓扑
       
        电源模块的设计尽量选用成熟的电源拓扑。例如1W～2W的定压输入DC-DC电源模块选择Royer电路，而宽压输入系列则多选Flyback拓扑，部分选Forward拓扑。
       
        全负载范围内高效率
       
        高效率意味着更低的功率损失和更低的温升，可以有效提高可靠性。在实际应用中，电源都会选择一定程度的降额设计，特别是在负载IC的功耗越来越低的今天，电源大部分时候都有可能在轻载情况下工作。因此，全负载范围内高效率对于电源系统可靠性来说是非常关键的参数，但往往被电源厂商忽略。大部分厂商为了技术手册上的参数吸引客户，往往将满载效率做到较高，但在5%～50%的负载情况下效率较低。
       
        以金升阳的15W DC-DC模块电源VRB2412LD-15WR2为例，VRB2412LD-15WR2在额定电压24V输入时轻载10%的效率比主流同行水平高出15%，如图1和图2所示。

       
       
        图1：某主流品牌电源效率曲线图。
       
        图2：金升阳VRB2412LD-15WR2效率曲线图。

         
        通过效率的提升也可以有效降低产品的外壳温升，VRB2412LD-15WR2在实际负载工作时的温升要低13.8℃。
       
        极限温度特性
       
        电源模块应用的地理区域非常宽广，可能有热带的酷暑，也有类似俄罗斯冬天的严寒。因此要求DC-DC模块的工作温度范围最低要求为-40℃～85℃，也有做到更好的，例如金升阳的定压R2代1W～2W工作温度可做到-40℃～105℃。如果在汽车BMS、高压母线监测应用，则需要工作温度为-40℃～125℃，金升阳的CF0505XT-1WR2工作温度可做到125℃。
       
        极限温度试验是最能检验电源模块可靠性的方法，例如高温老化、高温
         
          高隔离、低隔离电容
       
        医疗产品要求极低的漏电流，电力电子产品需要原边和次级之间尽量少寄生电容。这两个行业有一个共性的需求，即要求尽量高的隔离耐压和尽量低的隔离电容，用以降低共模干扰对系统的影响。如果在医疗或电力电子领域应用，1W～2W DC-DC建议选取隔离电容低于10pF的电源模块，宽压产品则尽量选取低于150pF的电源模块。
       
        EMC特性
       
        EMC性能是电子系统正常、安全工作的保证，目前电子行业对产品的EMC性能都提出了很高的要求，客户经常抱怨因EMC处理不好导致系统的复位重启甚至是早期失效，因此优良的EMC特性是电源模块核心竞争力。
       
        电源系统应用设计的可靠性
       
        电源本身的可靠性固然重要，但是实际上，由于电源系统工作环境的复杂性，再可靠的电源如果没有可靠的系统应用设计，最终电源还是会失效。下面介绍几种常见的电源系统应用设计的方法和注意事项。
       
        冗余设计技巧
       
        在可靠性要求高的场合，要求电源模块即使损坏，系统也不能断电。此时，可以采取冗余供电的方式来提升系统的可靠性。图3为其中一种常见的冗余设计方案。当一个电源模块损坏时，另外一个模块可以继续供电。

       
       
        图3：冗余供电方案。

         
        图中D1、D2建议使用低压降的肖特基二极管，以避免二极管的压降影响后端系统的工作，另外，二极管的耐压值要高于输出电压。这种方法会产生额外的纹波噪声，需外接电容来减小纹波或是加滤波电路。
       
        降额设计
       
        众所周知，降额设计可以有效提高电源工作寿命，但是负载过轻使用，电源的性能又无法工作在最佳状态。例如，金升阳DC-DC模块电源建议在负载范围30%～80%内使用，此时各方面性能表现最佳。
       
        合理外围防护设计
       
        电源模块应用行业非常多，应用的环境要求也不近相同，因为其通用性设计，DCDC模块电源仅能满足通用共性需求。因此当客户的应用环境要求苛刻时，需要加适当的外围电路来提升电源的可靠性。
       
        以金升阳的20W DC-DC铁路电源URB24XXLD-20WR2为例，单独模块只能通过EN50155 1.4倍输入电压Vin的1s测试，但因为体积原因没有办法通过RIA12的标准，通过添加外围电路（也可以选择金升阳EMC辅助器FC-AX3D），就能通过RIA12要求的3.5Vin/20ms的等测试要求。
       
        因而合理的外围电路设计可以使模块满足更高等级的技术规格，使之适应更恶劣的应用环境，提升电源模块的可靠性。
       
        散热设计
       
        工业级电源模块的损坏大约有15%是因为散热不良导致的，电源模块是朝着小型化和集成化方向发展的，但是很多应用场合电源是处于密闭的环境中连续工作的，如果积热无法散出去，电源内部的器件可能因为超过热应力而损坏。通常的散热方式有自然风冷、散热片散热和加强制性散热风扇等。热设计的几点经验分享如下：
       
        电源模块的对流通风。对于依靠自然对流和热辐射来散热的电源模块，周围环境一定要便于对流通风，且周围无大器件遮挡，便于空气流通。
       
        发热器件的放置。如果系统中拥有多个发热源例如多个电源模块，相互之间应尽量远离，避免相互之间热辐射传递导致电源模块过热。
       
        合理的PCB板设计。PCB板提供了一种散热途径，在设计时就要多考虑散热途径。例如加大主回路的铜皮面积，降低PCB板上元器件的密度等，改善模块的散热面积和散热通道，例如电源模块应尽量垂直放置，可以使热量尽快向上散发；如果将DC-DC模块放在PCB的底部，则向上散发的热量会被PCB阻挡，导致产品积热无法散发出去。
       
        更大封装尺寸和散热面积。同样功率的电源，如果可能尽量选择尺寸更大的封装和散热面更大的散热器，或者使用导热胶将电源模块外壳与机壳连接。这样电源模块拥有更大的散热面积，散热会更快，内部的温度会更低，电源的可靠性自然也就越高。
       
        匹配性设计、安规设计。电源的输入走线尽量保持直线，避免形成环路天线吸引外界辐射干扰。同时输入线和输出线需要按照UL60950的安规要求保持合适的间距，避免耐压失效。再者，电源底板下禁止布线，特别是信号线、电源变压器的电磁线会对信号形成干扰。
       
        另外一个设计师需注意的是，需要关注一次电源和二次电源之间，以及电源与系统工作频率的倍频错开，避开相互之间的系统匹配性问题。