DCDC模塊電源的應(yīng)用與選擇

DCDC模塊電源的中心議題：

如何正確合理的選用DC/DC模塊電源

DCDC模塊電源的解決方案：

額定功率的考慮

封裝形式注意事項

選擇合適的溫度范圍與降額使用

隔離電壓的考慮

功耗和效率的考慮

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(wǎng)絡(luò)、工控、鐵路、軍事等領(lǐng)域日益得到廣泛的應(yīng)用。很多系統(tǒng)設(shè)計人員已經(jīng)意識到：正確合理地選用DC/DC模塊電源，可以省卻電源設(shè)計、調(diào)試方面的麻煩，將主要精力集中在自己專業(yè)的領(lǐng)域，這樣不僅可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計水平，而且更重要的是縮短了整個產(chǎn)品的研發(fā)周期，為在激烈的市場競爭中領(lǐng)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(fā)設(shè)計的角度，談一談這方面的問題，以供廣大系統(tǒng)設(shè)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(guān)，后面將會提到。)，這個功率范圍內(nèi)模塊電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)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(yīng)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(chǎn)品采用密封外殼，外形十分纖小;大功率產(chǎn)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(zhì)量，提高次品率。SMT形式的變換器應(yīng)能承受規(guī)定的焊接條件。對于絕大多數(shù)現(xiàn)代流水線而言，器件必須滿足 CEC00802標準所規(guī)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(shè)計專門的焊接裝配工藝，這會增加裝配時間，提高生產(chǎn)成本。

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(chǎn)品而言，相同功率產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)品，因為兼容性較好，不局限于一兩個供貨廠家;③ 應(yīng)具有可擴展性，便于系統(tǒng)擴容和升級。選擇一種封裝，系統(tǒng)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(tǒng)線路板設(shè)計可以不必改動,從而大大簡化了產(chǎn)品升級更新?lián)Q代，節(jié)約時間。全部符合國際標準，為業(yè)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(chǎn)品功率范圍覆蓋50～200W，全磚產(chǎn)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(chǎn)品可供選用：商品級、工業(yè)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(jù)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(jīng)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(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品，價格低一些，功率裕量和封裝形式就得大一些。應(yīng)折衷考慮。

商品級(0 ℃ 到+70 ℃)

工業(yè)級(-40 ℃ 到+85 ℃)

軍用級(-55 ℃到+125 ℃)

變頻與定頻

和所有開關(guān)型器件一樣，DC/DC變換器在工作時會產(chǎn)生噪聲，因此濾波性能的好壞也是重要的選型依據(jù)。集成化的DC/DC變換器通常采用的是變頻開關(guān)技術(shù)或是定頻開關(guān)技術(shù)?！　〔捎米冾l開關(guān)技術(shù)的變換器由于要根據(jù)負載狀況進行不斷調(diào)整，所以會導(dǎo)致頻帶展寬，增加濾波器的復(fù)雜度。而定頻開關(guān)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(tài)響應(yīng)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(nèi)模塊電源產(chǎn)品開關(guān)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(tài)響應(yīng)的要求，因此高要求場合應(yīng)用要考慮采用高開關(guān)頻率的產(chǎn)品。另外一方面當模塊電源開關(guān)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(shù)的電路都必須實現(xiàn)隔離，即將負載連同負載對本地電源的噪聲與電網(wǎng)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?！　〔捎酶綦x變換器除了實現(xiàn)上述要求之外，還可以實現(xiàn)差分形式的輸出，以及雙極型輸出(見圖)?！　〈送?，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(lián)起來，構(gòu)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(shè)備，這種特性非常有用?！　≡谝欢〞r限內(nèi)(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(chǎn)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(jù)阻抗計算出泄漏電容的大小?！　⌒孤╇娏麟S噪聲電壓的增加而增大，隨隔離電容的減小而減小。因此，設(shè)計低噪聲電源時，應(yīng)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。