挑選電源模塊需要考慮相關(guān)問題分析
DC/DC的意思是直流變(到)直流(不同直流開關(guān)電源值的轉(zhuǎn)換)，只要符合這個(gè)定義都可以叫DCDC轉(zhuǎn)換器。具體是指通過自激振蕩電路把輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡偻ㄟ^變壓器改變電壓之后再轉(zhuǎn)換為直流電輸出，或者通過倍壓整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電輸出。
DC/DC模塊開關(guān)電源以其體積小巧、性能卓異、使用方便的顯著特點(diǎn)，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。怎樣正確合理地選用DC/DC模塊開關(guān)電源呢，筆者將從DC/DC模塊開關(guān)電源開發(fā)設(shè)計(jì)的角度，談一談這方面的問題，以供廣大系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考。
1 開關(guān)電源模塊選擇需要考慮的幾個(gè)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
2 額定功率
一般建議實(shí)際使用功率是模塊開關(guān)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(huì)提到。)，這個(gè)功率范圍內(nèi)模塊開關(guān)電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。所有模塊開關(guān)電源均有一定的過載能力，但是仍不建議長時(shí)間工作在過載條件下，畢竟這是一種短時(shí)應(yīng)急之計(jì)。
3 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(shí)，需要注意以下兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的要求，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SMT器件引腳的共面問題做出了嚴(yán)格限定。如果變換器不能滿足這個(gè)要求，就需要為其設(shè)計(jì)專門的焊接裝配工藝，這會(huì)增加裝配時(shí)間，提高生產(chǎn)成本。
模塊開關(guān)電源的封裝形式多種多樣，符合國際標(biāo)準(zhǔn)的也有，非標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)封裝的產(chǎn)品，因?yàn)榧嫒菪暂^好，不局限于一兩個(gè)供貨廠家;③ 應(yīng)具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和升級(jí)。全部符合國際標(biāo)準(zhǔn)，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。
4 溫度范圍與降額使用
一般廠家的模塊開關(guān)電源都有幾個(gè)溫度范圍產(chǎn)品可供選用：商品級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍用級(jí)等，在選擇模塊開關(guān)電源時(shí)一定要考慮實(shí)際需要的工作溫度范圍，因?yàn)闇囟鹊燃?jí)不同材料和制造工藝不同價(jià)格就相差很大，選擇不當(dāng)還會(huì)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(shí)際使用功率已經(jīng)接近額定功率，那么模塊標(biāo)稱的溫度范圍就必須嚴(yán)格滿足實(shí)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(shí)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。應(yīng)折衷考慮。
商品級(jí)(0 ℃ 到+70 ℃)
工業(yè)級(jí)(-40 ℃ 到+85 ℃)
軍用級(jí)(-55 ℃到+125 ℃)
5 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(shí)會(huì)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)。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。
6 工作頻率
一般而言工作頻率越高，輸出紋波噪聲就更小，開關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)也更好，但是對(duì)元器件特別是磁性材料的要求也越高，成本會(huì)有增加，所以國內(nèi)模塊開關(guān)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(fù)載變條件下動(dòng)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(dāng)模塊開關(guān)電源開關(guān)頻率接近信號(hào)工作頻率時(shí)容易引起差拍振蕩，選用時(shí)也要考慮到這一點(diǎn)。
7 隔離度
絕大多數(shù)的電路都必須實(shí)現(xiàn)隔離，即將負(fù)載連同負(fù)載對(duì)本地開關(guān)電源的噪聲與電網(wǎng)的其他負(fù)載和噪聲隔開。只有隔離變換器能夠達(dá)到這個(gè)要求。采用隔離變換器除了實(shí)現(xiàn)上述要求之外，還可以實(shí)現(xiàn)差分形式的輸出，以及雙極型輸出。此外，將隔離型變換器的輸出高壓端與負(fù)載的開關(guān)電源地相連，就形成了負(fù)開關(guān)電源。由于電壓參考點(diǎn)不是地，因此負(fù)載可以獲得更高的電壓。在一定時(shí)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(qiáng)度。因此，設(shè)計(jì)低噪聲開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)該選擇隔離強(qiáng)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(yī)療設(shè)備里需要很高的隔離電壓，這樣的話，漏電流就小，對(duì)身體的危害就小。一般場合使用對(duì)模塊開關(guān)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開關(guān)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(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。
8 什么是電涌
電涌被稱為瞬態(tài)過電，是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流、電壓波動(dòng)，在電路中通常持續(xù)約百萬分之一秒。220 伏電路系統(tǒng)中持續(xù)瞬間(百萬分之一秒)的 5,000或10,000伏的電壓波動(dòng)，即為電涌或瞬態(tài)過電。
電涌的來源：簡單而言，來自兩個(gè)方面：外部電涌和內(nèi)部電涌。來自外部的電涌： 最主要的來源是雷電。當(dāng)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(shí)，便發(fā)生了雷電放電，云層和地面間的電荷電位高達(dá)若干百萬伏，發(fā)生雷擊時(shí)，以若干千安計(jì)的電流通過雷擊放電，經(jīng)過所有的設(shè)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(shè)備。
外部電涌的另一個(gè)來源是電力公司的公用電網(wǎng)開關(guān)在電力線上產(chǎn)生的過電壓。
來自內(nèi)部的電涌：88%的電涌產(chǎn)生于建筑物內(nèi)部的設(shè)備，幾年前，一平方厘米的計(jì)算機(jī)芯片有 2,000個(gè)晶體管而現(xiàn)在的奔騰機(jī)則超過10,000,000個(gè)。從而增加了計(jì)算機(jī)受電涌損壞的概率。
由于計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)決定了它應(yīng)在特定的電壓范圍內(nèi)工作。當(dāng)電涌超出計(jì)算機(jī)能承受的水平時(shí)，計(jì)算機(jī)將出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼，芯片被損壞，部件提前老化，這些癥狀包括：出乎預(yù)料的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，接收/輸送數(shù)據(jù)的失敗，丟失文檔，工作失常，經(jīng)常需要維修，原因不明的故障和硬件問題等等。
雷電電涌遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)和其它電氣設(shè)備所能承受的水平，絕大多數(shù)情況下，造成計(jì)算機(jī)和其它電器設(shè)備的當(dāng)即毀壞，或數(shù)據(jù)的永遠(yuǎn)丟失。即使是一個(gè)20馬力的小型感應(yīng)式發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或關(guān)閉也會(huì)產(chǎn)生3,000-5,000伏的電涌，使和它共用同一配電箱的計(jì)算機(jī)在每一次電涌中都會(huì)受到損壞或干擾，這種電涌的次數(shù)非常頻繁。
9 電涌會(huì)損壞那些電氣設(shè)備
含有微處理器的電氣設(shè)備極易受到電涌的損壞，這包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)備、程序控制器、PLC、傳真機(jī)、電話、留言機(jī)等;程控交換機(jī)、廣播電視發(fā)送機(jī)、微波中繼設(shè)備;家電行業(yè)的產(chǎn)品包括電視、音響、微波爐、錄像機(jī)、洗衣機(jī)、烘干機(jī)和電冰箱等。美國的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在保修期內(nèi)出現(xiàn)問題的電氣產(chǎn)品中，有63%是由于電涌造成的。
10 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(nèi)部，即來自電氣裝置內(nèi)的電器設(shè)備。來自外部的電涌 這種電涌由雷電或公用電網(wǎng)開關(guān)的投切引起，這兩類有害的開關(guān)電源擾動(dòng)都可擾亂計(jì)算機(jī)和微機(jī)信息處理系統(tǒng)的工作，引起停工或永久性設(shè)備損壞。
當(dāng)云層上有電荷儲(chǔ)蓄，云層下表面產(chǎn)生極性相反的等量電荷時(shí)，將引起雷電放電。其后的情況就象一個(gè)大電池組或一個(gè)大電容器的放電那樣，云層和地面間的電荷電位高達(dá)若干百萬伏。發(fā)生雷擊時(shí)以若干千安計(jì)的電流通過雷擊放電，經(jīng)過所有設(shè)備和大地返回云層，從而完成電的通路。不幸的是這個(gè)雷電通路常常取道重要或貴重的設(shè)備。電涌防護(hù)的關(guān)鍵概念是給雷電感應(yīng)電流提供一個(gè)通向大地的短捷有效的通路。來自內(nèi)部的電涌 來自內(nèi)部的電涌是經(jīng)常發(fā)生的，諸如來自空調(diào)機(jī)、空壓機(jī)、電弧焊機(jī)、電泵、電梯、開關(guān)開關(guān)電源和其它一些感性負(fù)荷的電涌。
11 平均故障間隔時(shí)間
很多DPA系統(tǒng)都要求高度的可靠性，這就對(duì)平均故障間隔時(shí)間(MTTF)提出了要求。在這里要提醒讀者，僅憑產(chǎn)品說明書上的數(shù)據(jù)是不能評(píng)價(jià)某個(gè)產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣的。
造成這個(gè)問題的原因是，目前國際上尚未制定出公認(rèn)的關(guān)于MTTF指標(biāo)的定義和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，各廠商普遍使用的是美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217F中的“一般情況下的”可靠性預(yù)測方法，以及Bellcore標(biāo)準(zhǔn)TR-NWT-000332中的電信設(shè)備模型。不過，即便是聲稱遵照同一標(biāo)準(zhǔn)推算出來的MTTF指標(biāo)，常常也不一致。在變換器投入使用之前，任何MTTF指標(biāo)都毫無意義。溫度對(duì)可靠性有顯著的影響，經(jīng)驗(yàn)公式是：環(huán)境溫度每升高10℃，器件壽命將縮短一半。
有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，模塊開關(guān)電源在預(yù)期有效時(shí)間內(nèi)失效的主要原因是外部故障條件下?lián)p壞。而正常使用失效的機(jī)率是很低的。
12 功耗和效率
根據(jù)公式 ，其中Pin、Pout、P耗分別為模塊開關(guān)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。當(dāng)然損耗越小也更符合節(jié)能的要求。
軟開關(guān)技術(shù)：為提高變換器的變換效率，各種軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，具有代表性的是無源軟開關(guān)技術(shù)和有源軟開關(guān)技術(shù)，主要包括零電壓開關(guān)/零電流開關(guān)(ZVS/ZCS)諧振、準(zhǔn)諧振、零電壓/零電流脈寬調(diào)制技術(shù)(ZVS/ZCS-PWM)以及零電壓過渡/零電流過渡脈寬調(diào)制(ZVT/ZCT-PWM)技術(shù)等。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效的降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器變換效率的提高。
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