時間:2019-05-09 13:37:41來源:廣州金升陽科技有限公司
一、序言
DC_DC模塊電源越來越多的應(yīng)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(shè)計,可以有效的簡化客戶的電路設(shè)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(yīng)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??煽磕兀勘疚木瓦@個主題作簡要分析與探討。
關(guān)鍵詞:電源應(yīng)用設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)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(shè)計,可以有效的隔離來自一次側(cè)設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(nèi)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(yīng)用中,電源都會選擇一定程度的降額設(shè)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(nèi)高效率對于電源系統(tǒng)可靠性來說是非常關(guān)鍵的參數(shù),但往往被電源廠商忽略。大部分廠商為了技術(shù)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(yīng)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(yán)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)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(yīng)用設(shè)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(fù)雜性,再可靠的電源如果沒有可靠的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)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(yīng)用設(shè)計的方法和注意事項。
1. 冗余設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)計
眾所周知,降額設(shè)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(nèi)使用,此時各方面性能表現(xiàn)最佳。
3. 合理外圍防護設(shè)計
電源模塊應(yīng)用行業(yè)非常多,應(yīng)用的環(huán)境要求也不近相同,因為其通用性設(shè)計,DC-DC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當(dāng)客戶的應(yīng)用環(huán)境要求苛刻時,需要加適當(dāng)?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(biāo)準(zhǔn),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(shè)計可以使模塊滿足更高等級的技術(shù)規(guī)格,使之適應(yīng)更惡劣的應(yīng)用環(huán)境,提升電源模塊的可靠性。
4. 散熱設(shè)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(dǎo)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(yīng)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(nèi)部的器件可能因為超過熱應(yīng)力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強制性散熱風(fēng)扇等。熱設(shè)計的幾點經(jīng)驗分享如下:
(1) 電源模塊的對流通風(fēng)
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(fēng),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(yīng)盡量遠離,避免相互之間熱輻射傳遞導(dǎo)致電源模塊過熱。
(3) 合理的PCB板設(shè)計
PCB板提供了一種散熱途徑,在設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(nèi)部的溫度會更低,電源的可靠性自然也就越高。
5. 匹配性設(shè)計、安規(guī)設(shè)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(shè)計師需注意的是,需要關(guān)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(jié)
DC_DC電源模塊的可靠應(yīng)用需要電源原廠提供高品質(zhì)電源,同時也需要設(shè)計工程師合理的應(yīng)用設(shè)計,只有從設(shè)計和應(yīng)用雙向考慮才能最終獲得可靠的電源系統(tǒng)。
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