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DCDC模塊的選擇方法

DC/DC模塊電源以其體積小巧、性能卓異、使用方便的顯著特點,在通信、網絡、工控、鐵路、軍事等領域日益得到廣泛的應用。很多系統設計人員已經意識到:正確合理地選用DC/DC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業的領域,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產品的研發周期,為在激烈的市場競爭中領先致勝贏得了寶貴商機。那么,怎樣正確合理地選用DC/DC模塊電源呢,筆者將從DC/DC模塊電源開發設計的角度,談一談這方面的問題,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,后面將會提到。),這個功率范圍內模塊電源各方面性能發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載能力,但是仍不建議長時間工作在過載條件下,畢竟這是一種短時應急之計。 

封裝形式   
DC/DC變換器的外形尺寸和輸出形式差異很大。小功率產品采用密封外殼,外形十分纖小;大功率產品常采用quarter-brick或half-brick的形式,電路或暴露,或以外殼包裹。在選擇時,

需要注意以下兩個方面:
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器件引腳的共面問題做出了嚴格限定。器件引腳不共面會造成器件裝配時定位困難,嚴重影響焊接質量,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而言,器件必須滿足CEC00802標準所規定的回流焊要求,即器件表面溫度可超過300℃。如果變換器不能滿足這個要求,就需要為其設計專門的焊接裝配工藝,這會增加裝配時間,提高生產成本。 

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,就同一公司產品而言,相同功率產品有不同封裝,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品,因為兼容性較好,不局限于一兩個供貨廠家;
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,系統線路板設計可以不必改動,從而大大簡化了產品升級更新換代,節約時間。全部符合國際標準,為業界廣泛采用的半磚、全磚封裝,與VICOR、 LAMBDA等著名品牌完全兼容,并且半磚產品功率范圍覆蓋50~200W,全磚產品覆蓋100~300W。 

溫度范圍與降額使用   
一般廠家的模塊電源都有幾個溫度范圍產品可供選用:商品級、工業級、軍用級等,在選擇模塊電源時一定要考慮實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格就相差很大,選擇不當還會影響使用,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)一定的條件下實際使用功率已經接近額定功率,那么模塊標稱的溫度范圍就必須嚴格滿足實際需要甚至略有裕量。
二是根據溫度范圍來選,如果由于成本考慮選擇了較小溫度范圍的產品,但有時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品,這樣“大馬拉小車”,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/℃。總之要么選擇寬溫度范圍的產品,功率利用更充分,封裝也更小一些,但價格較高;要么選擇一般溫度范圍產品,價格低一些,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 ℃) 
工業級(-40 ℃ 到+85 ℃) 
軍用級(-55 ℃到+125 ℃) 

變頻與定頻   
和所有開關型器件一樣,DC/DC變換器在工作時會產生噪聲,因此濾波性能的好壞也是重要的選型依據。集成化的DC/DC變換器通常采用的是變頻開關技術或是定頻開關技術。   
采用變頻開關技術的變換器由于要根據負載狀況進行不斷調整,所以會導致頻帶展寬,增加濾波器的復雜度。而定頻開關變換器在這方面則簡便許多,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,電源動態響應也更好,但是對元器件特別是磁性材料的要求也越高,成本會有增加,所以國內模塊電源產品開關頻率多為在300kHz以下,甚至有的只有100kHz左右,這樣就難以滿足負載變條件下動態響應的要求,因此高要求場合應用要考慮采用高開關頻率的產品。另外一方面當模塊電源開關頻率接近信號工作頻率時容易引起差拍振蕩,選用時也要考慮到這一點。 

隔離度
絕大多數的電路都必須實現隔離,即將負載連同負載對本地電源的噪聲與電網的其他負載和噪聲隔開。只有隔離變換器能夠達到這個要求。   
采用隔離變換器除了實現上述要求之外,還可以實現差分形式的輸出,以及雙極型輸出(見圖)。   

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妙處是:可以將多個具有不同輸出電壓的變換器級聯起來,構成一個電源。對于那些單個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時間承受的加在輸入端的電壓,這個電壓低于隔離強度。   
在選擇隔離型變換器時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,應該選擇隔離強度高而隔離電容低的DC/DC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,漏電流就小,對身體的危害就小。
一般場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,因此目前業界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。 

什么是電涌? 
電涌被稱為瞬態過電,是電路中出現的一種短暫的電流、電壓波動,在電路中通常持續約百萬分之一秒。220 伏電路系統中持續瞬間(百萬分之一秒)的 5,000或10,000伏的電壓波動,即為電涌或瞬態過電。 

電涌的來源: 
簡單而言,來自兩個方面:外部電涌和內部電涌。
 
來自外部的電涌: 最主要的來源是雷電。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,便發生了雷電放電,云層和地面間的電荷電位高達若干百萬伏,發生雷擊時,以若干千安計的電流通過雷擊放電,經過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,部分電流將沿線進入建筑物,這股巨大的電流就會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,全程只需百萬分之一秒。 

外部電涌的另一個來源是電力公司的公用電網開關在電力線上產生的過電壓。 

來自內部的電涌: 88%的電涌產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、開關電源、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: 
計算機技術發展至今,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、導線更細。幾年前,一平方厘米的計算機芯片有 2,000個晶體管而現在的奔騰機則超過10,000,000個。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,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,經常需要維修,原因不明的故障和硬件問題等等。 

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20馬力的小型感應式發動機的啟動或關閉也會產生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受到損壞或干擾,這種電涌的次數非常頻繁。 

電涌會損壞那些電氣設備? 
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、留言機等;程控交換機、廣播電視發送機、微波中繼設備;家電行業的產品包括電視、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,在保修期內出現問題的電氣產品中,有63%是由于電涌造成的。 

電涌的來源 
電涌可來自電氣裝置外部,也可來自電氣裝置內部,即來自電氣裝置內的電器設備。 
來自外部的電涌 這種電涌由雷電或公用電網開關的投切引起,這兩類有害的電源擾動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,云層下表面產生極性相反的等量電荷時,將引起雷電放電。其后的情況就象一個大電池組或一個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伏。發生雷擊時以若干千安計的電流通過雷擊放電,經過所有設備和大地返回云層,從而完成電的通路。不幸的是這個雷電通路常常取道重要或貴重的設備。電涌防護的關鍵概念是給雷電感應電流提供一個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,其實它發生的可能性很小。如Bellcore公司的工程師們將電涌防護器的泄放電流規定為20000A(見參考資料TR-NWT-001011)。雖然他們按經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。 

在線路高度暴露地段發生21萬A的雷擊電流(有記錄的最大值之一)的機會只占總雷擊機會的0.5%。如此大的雷擊電流極少出現在建筑物電源進線處,但仍須重視對這種外來電涌的防范。 

來自內部的電涌 來自內部的電涌是經常發生的,諸如來自空調機、空壓機、電弧焊機、電泵、電梯、開關電源和其它一些感性負荷的電涌。例如一臺20hp的感應電動機(線電壓230V,4級,Y結線)在最大轉矩時每相具有約39J的儲存能量,當其標稱方根值電流被截斷時,它將產生瞬態過電壓。它經常發生,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線上的過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,它只能對沿電源線進入電氣裝置的外部電涌進行防范,因大容量的進線防護器距內部電涌發生處的距離太遠。 

平均故障間隔時間   
很多DPA系統都要求高度的可靠性,這就對平均故障間隔時間(MTTF)提出了要求。在這里要提醒讀者,僅憑產品說明書上的數據是不能評價某個產品可靠性的優劣的。   
造成這個問題的原因是,目前國際上尚未制定出公認的關于MTTF指標的定義和計算標準,各廠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,即便是聲稱遵照同一標準推算出來的MTTF指標,常常也不一致。  
 
這種不一致的第一個來源,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的影響忽略不計,而焊接點故障是電路失效的最常見原因之一);來源之二是元器件的可靠性指標。舉個例子,某些廠商采用MIL-HDBK-217F中的器件數據和故障率數據,另外一些廠商則采用其他渠道的數據;第三個來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指標都毫無意義。 
溫度對可靠性有顯著的影響,經驗公式是:環境溫度每升高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境溫度20℃,那么,25℃條件下推算出來的MTTF指標就失去了意義。
實踐證明,設計人員必須透過產品說明書的數據,深入地理解廠商推算MTTF的方法。必須去查詢推算的詳細步驟,知道原始數據的來源及其測量條件,對于那些無法提供詳細資料的廠商,應該對其指標持保留態度。 

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的,在計算過程中考慮現代器件的發展狀態,根據一些廠家提供的可靠性指標進行了一定的修正。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 

有關統計數據表明,模塊電源在預期有效時間內失效的主要原因是外部故障條件下損壞。而正常使用失效的機率是很低的。因此延長模塊電源壽命、提高系統可靠性的重要一環是選擇保護功能完善的產品,即在模塊電源外部電路出現故障時模塊電源能夠自動進入保護狀態而不至于永久失效,外部故障消失后應能自動恢復正常。模塊電源的保護功能應至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護;輸出過壓、過流、短路保護,大功率產品還應有過溫保護等。 

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。除了滿載正常損耗外,還有兩個損耗值得注意:空載損耗和短路損耗(輸出短路時模塊電源損耗),因為這兩個損耗越小,表明模塊效率越高,特別是短路未能及時采取措施的情況下,可能持續較長時間,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。 

軟開關技術:為提高變換器的變換效率,各種軟開關技術應用而生,具有代表性的是無源軟開關技術和有源軟開關技術,主要包括零電壓開關/零電流開關(ZVS/ZCS)諧振、準諧振、零電壓/零電流脈寬調制技術(ZVS/ZCS-PWM)以及零電壓過渡/零電流過渡脈寬調制(ZVT/ZCT-PWM)技術等。采用軟開關技術可以有效的降低開關損耗和開關應力,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,輸出電壓的波動范圍。 
舉例: 一個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%。 
一般來說負載/線性調整率差不多0.1%~0.5%左右。這個指標是衡量輸出電壓精度。

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