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電源模塊的應用設計和品質同樣重要

来源: 发布时间:2020-04-10 10:24:52 次浏覽
DC-DC模塊电源越来越多地应用于通信、工业自动化、电力控制、轨道交通、矿业、军工等行业。模塊化的设计可以有效简化客户的电路设计,提升系统的可靠性和维护效率。那么,如何提升基于DC-DC模塊的电源系统的可靠性?本文就这个主题作简要分析与探讨。
爲什麽需要DC-DC模塊电源
DC-DC隔離模塊电源主要应用于分布式电源系统中,用以对电源系统实现隔離降低噪声、电压转换、稳压和保护功能。使用DC-DC隔離模塊电源的作用如下:
第一,模塊电源采用隔離式设计,可以有效隔離来自一次侧设备带来的共模干扰对系统的影响,使负载能够稳定工作。
第二,不同的負載需要不同的供電電壓,例如控制IC需要5V3.3V1.8V等;信號采集用的運放則需要±15V;繼電器則需要12V24V;而母線電壓多爲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模塊电源
采用成熟的電源拓撲
电源模塊的设计尽量选用成熟的电源拓撲。例如1W2W的定壓輸入DC-DC电源模塊选择Royer電路,而寬壓輸入系列則多選Flyback拓撲,部分選Forward拓撲。
全負載範圍內高效率
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的功耗越来越低的今天,电源大部分时候都有可能在轻载情况下工作。因此,全負載範圍內高效率对于电源系统可靠性来说是非常关键的参数,但往往被电源厂商忽略。大部分厂商为了技术手册上的参数吸引客户,往往将满载效率做到较高,但在5%50%的負載情況下效率較低。
以2021欧洲杯买球网址電源的15W DC-DC模塊电源ZXD15-24S15爲例,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産品的外殼溫升,ZXD15-24S15在實際負載工作時的溫升要低13.8
極限溫度特性
电源模塊应用的地理区域非常宽广,可能有热带的酷暑,也有类似俄罗斯冬天的严寒。因此要求DC-DC模塊的工作温度范围最低要求为-4085,也有做到更好的,如果在汽車BMS、高壓母線監測應用,則需要工作溫度爲-40125,2021欧洲杯买球网址電源基板式電源工作溫度可做到125
极限温度试验是最能检验电源模塊可靠性的方法,例如高温老化、高温

高隔離、低隔離电容
医疗产品要求极低的漏电流,电力电子产品需要原边和次级之间尽量少寄生电容。这两个行业有一个共性的需求,即要求尽量高的隔離耐压和尽量低的隔離电容,用以降低共模干扰对系统的影响。如果在医疗或电力电子领域应用,1W2W DC-DC建议选取隔離电容低于10pF的电源模塊,宽压产品则尽量选取低于150pF的电源模塊。
EMC特性
EMC性能是電子系統正常、安全工作的保證,目前電子行業對産品的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複位重啓甚至是早期失效,因此優良的EMC特性是电源模塊核心竞争力。

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複雜性,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
在可靠性要求高的场合,要求电源模塊即使损坏,系统也不能断电。此时,可以采取冗余供电的方式来提升系统的可靠性。当一个电源模塊损坏时,另外一个模塊可以继续供电。
降額設計
众所周知,降額設計可以有效提高电源工作寿命,但是负载过轻使用,电源的性能又无法工作在最佳状态。例如,卓轩电子 DC-DC模塊电源建議在負載範圍30%80%內使用,此時各方面性能表現最佳。
合理外圍防護設計
电源模塊应用行业非常多,应用的环境要求也不近相同,因为其通用性设计,DCDC模塊电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2021欧洲杯买球网址電子20W DC-DC鐵路電源ZXD20-110S24爲例,单独模塊只能通过EN50155 1.4倍輸入電壓Vin1s測試,但因爲體積原因沒有辦法通過RIA12的標准,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。
因而合理的外围电路设计可以使模塊满足更高等级的技术规格,使之适应更恶劣的应用环境,提升电源模塊的可靠性。
散熱設計
工业级电源模塊的损坏大约有15%是因为散热不良导致的,电源模塊是朝着小型化和集成化方向发展的,但是很多应用场合电源是处于密闭的环境中连续工作的,如果积热无法散出去,电源内部的器件可能因为超过热应力而损坏。通常的散热方式有自然风冷、散热片散热和加强制性散热风扇等。热设计的几点经验分享如下:
电源模塊的对流通风。对于依靠自然对流和熱輻射来散热的电源模塊,周围环境一定要便于对流通风,且周围无大器件遮挡,便于空气流通。
发热器件的放置。如果系统中拥有多个发热源例如多个电源模塊,相互之间应尽量远离,避免相互之间熱輻射传递导致电源模塊过热。
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,改善模塊的散热面积和散热通道,例如电源模塊应尽量垂直放置,可以使热量尽快向上散发;如果将DC-DC模塊放在PCB的底部,則向上散發的熱量會被PCB阻擋,導致産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,或者使用导热胶将电源模塊外壳与机壳连接。这样电源模塊拥有更大的散热面积,散热会更快,内部的温度会更低,电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幹擾。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幹擾。
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。