電源模塊的應用設計和品質同樣重要

一、序言
     DC_DC模塊電源越來越多的應用于通信、工業(yè)自動化、電力控制、軌道交通、礦業(yè)、軍工等行業(yè)。而模塊化的設計，可以有效的簡化客戶的電路設計，提升系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性？我們大部分時候想到的是選擇一家品牌好的供應商提供高可靠的電源模塊。然而，選擇一款高可靠的電源模塊，是否就意味著我們的電源系統(tǒng)非?？煽磕?？本文就這個主題作簡要分析與探討。
     關鍵詞：電源應用設計、DC-DC模塊電源、可靠性
二、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(tǒng)中，用以對電源系統(tǒng)實現(xiàn)隔離降低噪聲、電壓轉換、穩(wěn)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，可以有效的隔離來自一次側設備帶來的共模干擾對系統(tǒng)的影響，使負載能夠穩(wěn)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。而母線電壓多為24V，因此需要進行電壓轉換。
　　其三，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(wěn)定的電壓，因此需要寬壓輸入，穩(wěn)壓輸出。

其四，電源需要在異常情況下，保護系統(tǒng)的負載和本身不壞。
　　那么，如何選擇DC-DC模塊電源？
三、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)過時間的考驗，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(tǒng)可靠性來說是非常關鍵的參數(shù)，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(shù)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。

以金升陽的15W DC-DC模塊電源VRB2412LD-15WR2為例，VRB2412LD-15WR2在額定電壓24V輸入時輕載10%的效率比主流同行水平高出15%，如圖1和圖2所示。 

通通過效率的提升也可以有效的降低產(chǎn)品的外殼溫升，VRB2412LD-15WR2在實際負載工作時的溫升要低13.8度。

3. 極限溫度特性
     電源模塊應用的地理區(qū)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度~85度，也有做到更好的，例如金升陽的定壓R2代1-2W工作溫度可以做到-40度~105度。如果在汽車BMS、高壓母線監(jiān)測應用，則需要工作溫度為-40度~125度，目前業(yè)界DC-DC模塊只有金升陽的CF0505XT-1WR2的產(chǎn)品工作溫度可以做到125度。

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(huán)沖擊試驗和長時間高溫高濕測試等。正規(guī)的電源開發(fā)都會經(jīng)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(jù)。

4. 高隔離、低隔離電容
     醫(yī)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。這兩個行業(yè)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(tǒng)的影響。如果在醫(yī)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(tǒng)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)常遇到客戶抱怨因EMC處理不好導致系統(tǒng)的復位重啟甚至是早期失效，因此優(yōu)良的EMC特性是電源模塊核心競爭力。
四、電源系統(tǒng)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(tǒng)工作環(huán)境的復雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統(tǒng)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(tǒng)應用設計的方法和注意事項。
1. 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(tǒng)也不能斷電。此時，我們可以采取冗余供電的方式來提升系統(tǒng)的可靠性。如下圖所示，當一個電源模塊損壞時，另外一個模塊可以繼續(xù)供電。圖3為其中一種常見的冗余設計方案。

注意事項：D1、D2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(tǒng)的工作，并注意選取二極管的耐壓值要高于輸出電壓。這種方法會產(chǎn)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。
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，但是負載過輕使用，電源的性能又無法工作在最佳狀態(tài)。 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(xiàn)最佳。
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模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當客戶的應用環(huán)境要求苛刻時，需要加適當?shù)耐鈬娐穪硖嵘娫吹目煽啃浴?br/>     以金升陽的20W DC-DC鐵路電源URB24XXLD-20WR2為例，單獨模塊只能通過EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1S測試，但因為體積原因沒有辦法通過RIA12的標準，通過添加外圍電路（也可以選擇金升陽EMC輔助器FC-AX3D），就能通過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足更高等級的技術規(guī)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，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發(fā)展，但是很多應用場合電源是處于密閉的環(huán)境中連續(xù)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(jīng)驗分享如下：

(1) 電源模塊的對流通風

對對于依靠自然對流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環(huán)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。
      (2) 發(fā)熱器件的放置
     如果系統(tǒng)中擁有多個發(fā)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。
      (3) 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如圖4，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)的熱量會被PCB阻擋，導致產(chǎn)品積熱無法散發(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，散熱會更快，內部的溫度會更低，電源的可靠性自然也就越高。
      5. 匹配性設計、安規(guī)設計
     電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環(huán)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(guī)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(tǒng)工作頻率的倍頻錯開，避開相互之間的系統(tǒng)匹配性問題。
      五、小結
     DC_DC電源模塊的可靠應用需要電源原廠提供高品質電源，同時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最終獲得可靠的電源系統(tǒng)。