電源模塊的應用設計和品質同樣重要
來源： 發布時間：2020-04-10 10:24:52 1374 次瀏覽
DC-DC模塊電源越來越多地應用于通信、工業自動化、電力控制、軌道交通、礦業、軍工等行業。模塊化的設計可以有效簡化客戶的電路設計，提升系統的可靠性和維護效率。那么，如何提升基于DC-DC模塊的電源系統的可靠性？本文就這個主題作簡要分析與探討。
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中，用以對電源系統實現隔離降低噪聲、電壓轉換、穩壓和保護功能。使用DC-DC隔離模塊電源的作用如下：
第一，模塊電源采用隔離式設計，可以有效隔離來自一次側設備帶來的共模干擾對系統的影響，使負載能夠穩定工作。
第二，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。
第三，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，而負載需要穩定的電壓，因此需要寬壓輸入，穩壓輸出。
第四，電源需要在異常情況下，保護系統的負載和本身不壞。
如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源
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。例如1W～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，部分選Forward拓撲。
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可靠性來說是非常關鍵的參數，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。
以卓軒電源的15W DC-DC模塊電源ZXD15-24S15為例，ZXD15-24S15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%，通過效率的提升也可以有效降低產品的外殼溫升，ZXD15-24S15在實際負載工作時的溫升要低13.8℃。
極限溫度特性
電源模塊應用的地理區域非常寬廣，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℃～85℃，也有做到更好的，如果在汽車BMS、高壓母線監測應用，則需要工作溫度為-40℃～125℃，卓軒電源基板式電源工作溫度可做到125℃。
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
高隔離、低隔離電容
醫療產品要求極低的漏電流，電力電子產品需要原邊和次級之間盡量少寄生電容。這兩個行業有一個共性的需求，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的影響。如果在醫療或電力電子領域應用，1W～2W DC-DC建議選取隔離電容低于10pF的電源模塊，寬壓產品則盡量選取低于150pF的電源模塊。
EMC特性
EMC性能是電子系統正常、安全工作的保證，目前電子行業對產品的EMC性能都提出了很高的要求，客戶經常抱怨因EMC處理不好導致系統的復位重啟甚至是早期失效，因此優良的EMC特性是電源模塊核心競爭力。
電源系統應用設計的可靠性
電源本身的可靠性固然重要，但是實際上，由于電源系統工作環境的復雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統應用設計，最終電源還是會失效。下面介紹幾種常見的電源系統應用設計的方法和注意事項。
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，系統也不能斷電。此時，可以采取冗余供電的方式來提升系統的可靠性。當一個電源模塊損壞時，另外一個模塊可以繼續供電。
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。例如，卓軒電子 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最佳。
合理外圍防護設計
電源模塊應用行業非常多，應用的環境要求也不近相同，因為其通用性設計，DCDC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當客戶的應用環境要求苛刻時，需要加適當的外圍電路來提升電源的可靠性。
以卓軒電子20W DC-DC鐵路電源ZXD20-110S24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格，使之適應更惡劣的應用環境，提升電源模塊的可靠性。
散熱設計
工業級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展的，但是很多應用場合電源是處于密閉的環境中連續工作的，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。熱設計的幾點經驗分享如下：
電源模塊的對流通風。對于依靠自然對流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環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。
發熱器件的放置。如果系統中擁有多個發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。
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，可以使熱量盡快向上散發；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發的熱量會被PCB阻擋，導致產品積熱無法散發出去。
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。
匹配性設計、安規設計。電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環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，以及電源與系統工作頻率的倍頻錯開，避開相互之間的系統匹配性問題。
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中，用以對電源系統實現隔離降低噪聲、電壓轉換、穩壓和保護功能。使用DC-DC隔離模塊電源的作用如下：
第一，模塊電源采用隔離式設計，可以有效隔離來自一次側設備帶來的共模干擾對系統的影響，使負載能夠穩定工作。
第二，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。
第三，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，而負載需要穩定的電壓，因此需要寬壓輸入，穩壓輸出。
第四，電源需要在異常情況下，保護系統的負載和本身不壞。
如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源
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。例如1W～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，部分選Forward拓撲。
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可靠性來說是非常關鍵的參數，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。
以卓軒電源的15W DC-DC模塊電源ZXD15-24S15為例，ZXD15-24S15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%，通過效率的提升也可以有效降低產品的外殼溫升，ZXD15-24S15在實際負載工作時的溫升要低13.8℃。
極限溫度特性
電源模塊應用的地理區域非常寬廣，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℃～85℃，也有做到更好的，如果在汽車BMS、高壓母線監測應用，則需要工作溫度為-40℃～125℃，卓軒電源基板式電源工作溫度可做到125℃。
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
高隔離、低隔離電容
醫療產品要求極低的漏電流，電力電子產品需要原邊和次級之間盡量少寄生電容。這兩個行業有一個共性的需求，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的影響。如果在醫療或電力電子領域應用，1W～2W DC-DC建議選取隔離電容低于10pF的電源模塊，寬壓產品則盡量選取低于150pF的電源模塊。
EMC特性
EMC性能是電子系統正常、安全工作的保證，目前電子行業對產品的EMC性能都提出了很高的要求，客戶經常抱怨因EMC處理不好導致系統的復位重啟甚至是早期失效，因此優良的EMC特性是電源模塊核心競爭力。
電源系統應用設計的可靠性
電源本身的可靠性固然重要，但是實際上，由于電源系統工作環境的復雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統應用設計，最終電源還是會失效。下面介紹幾種常見的電源系統應用設計的方法和注意事項。
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，系統也不能斷電。此時，可以采取冗余供電的方式來提升系統的可靠性。當一個電源模塊損壞時，另外一個模塊可以繼續供電。
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。例如，卓軒電子 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最佳。
合理外圍防護設計
電源模塊應用行業非常多，應用的環境要求也不近相同，因為其通用性設計，DCDC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當客戶的應用環境要求苛刻時，需要加適當的外圍電路來提升電源的可靠性。
以卓軒電子20W DC-DC鐵路電源ZXD20-110S24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格，使之適應更惡劣的應用環境，提升電源模塊的可靠性。
散熱設計
工業級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展的，但是很多應用場合電源是處于密閉的環境中連續工作的，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。熱設計的幾點經驗分享如下：
電源模塊的對流通風。對于依靠自然對流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環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。
發熱器件的放置。如果系統中擁有多個發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。
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，可以使熱量盡快向上散發；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發的熱量會被PCB阻擋，導致產品積熱無法散發出去。
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。
匹配性設計、安規設計。電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環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，以及電源與系統工作頻率的倍頻錯開，避開相互之間的系統匹配性問題。
