DC-DC模块电源设计选择

DC/DC模块电源以其体积小巧、性能卓异、使用方便的显著特点，在通信、网络、工控、铁路、军事等领域日益得到广泛的应用。很多系统设计人员已经意识到：正确合理地选用DC/DC模块电源，可以省却电源设计、调试方面的麻烦，将主要精力集中在自己专业的领域，这样不仅可以提高整体系统的可靠性和设计水平，而且更重要的是缩短了整个产品的研发周期，为在激烈的市场竞争中领先致胜赢得了宝贵商机。那么，怎样正确合理地选用DC/DC模块电源呢，笔者将从DC/DC模块电源开发设计的角度，谈一谈这方面的问题，以供广大系统设计人员参考。
电源模块选择需要考虑的几个方面
额定功率
封装形式
温度范围与降额使用
隔离电压
功耗和效率
额定功率 　　一般建议实际使用功率是模块电源额定功率的30～80%为宜（具体比例大小还与其他因素有关，后面将会提到。），这个功率范围内模块电源各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。负载太轻造成资源浪费，太重则对温升、可靠性等不利。所有模块电源均有一定的过载能力，但是仍不建议长时间工作在过载条件下，毕竟这是一种短时应急之计。
封装形式 　　DC/DC变换器的外形尺寸和输出形式差异很大。小功率产品采用密封外壳，外形十分纤小；大功率产品常采用quarter-brick或half-brick的形式，电路或暴露，或以外壳包裹。在选择时，需要注意以下两个方面：第一，引脚是否在同一平面上；第二，是否便于焊接。 　　SMT形式的变换器必须要符合IEC191-6:1990标准的要求，该标准对SMT器件引脚的共面问题做出了严格限定。器件引脚不共面会造成器件装配时定位困难，严重影响焊接质量，提高次品率。 　　SMT形式的变换器应能承受规定的焊接条件。对于绝大多数现代流水线而言，器件必须满足CEC00802标准所规定的回流焊要求，即器件表面温度可超过300℃。如果变换器不能满足这个要求，就需要为其设计专门的焊接装配工艺，这会增加装配时间，提高生产成本。
封装形式 　　模块电源的封装形式多种多样，符合国际标准的也有，非标准的也有，就同一公司产品而言，相同功率产品有不同封装，相同封装有不同功率，那么怎么选择封装形式呢？主要有三个方面：① 一定功率条件下体积要尽量小，这样才能给系统其他部分更多空间更多功能；② 尽量选择符合国际标准封装的产品，因为兼容性较好，不局限于一两个供货厂家；③ 应具有可扩展性，便于系统扩容和升级。选择一种封装，系统由于功能升级对电源功率的要求提高,电源模块封装依然不变,系统线路板设计可以不必改动,从而大大简化了产品升级更新换代，节约时间。全部符合国际标准，为业界广泛采用的半砖、全砖封装，与VICOR、 LAMBDA等著名品牌完全兼容，并且半砖产品功率范围覆盖50～200W，全砖产品覆盖100～300W。
温度范围与降额使用 　　一般厂家的模块电源都有几个温度范围产品可供选用：商品级、工业级、军用级等，在选择模块电源时一定要考虑实际需要的工作温度范围，因为温度等级不同材料和制造工艺不同价格就相差很大，选择不当还会影响使用，因此不得不慎重考虑。可以有两种选择方法：一是根据使用功率和封装形式选择，如果在体积（封装形式）一定的条件下实际使用功率已经接近额定功率，那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际需要甚至略有裕量。二是根据温度范围来选，如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品，但有时也有温度逼近极限的情况，怎么办呢？降额使用。即选择功率或封装更大一些的产品，这样“大马拉小车”，温升要低一些，能够从一定程度上缓解这一矛盾。降额比例随功率等级不同而不同，一般50W以上为3～10W/℃。总之要么选择宽温度范围的产品，功率利用更充分，封装也更小一些，但价格较高；要么选择一般温度范围产品，价格低一些，功率裕量和封装形式就得大一些。应折衷考虑。
商品级(0 ℃ 到+70 ℃)
工业级(-40 ℃ 到+85 ℃)
军用级(-55 ℃到+125 ℃)
变频与定频 　　和所有开关型器件一样，DC/DC变换器在工作时会产生噪声，因此滤波性能的好坏也是重要的选型依据。集成化的DC/DC变换器通常采用的是变频开关技术或是定频开关技术。 　　采用变频开关技术的变换器由于要根据负载状况进行不断调整，所以会导致频带展宽，增加滤波器的复杂度。而定频开关变换器在这方面则简便许多，甚至可以使用LC滤波器。
工作频率 　　一般而言工作频率越高，输出纹波噪声就更小，电源动态响应也更好，但是对元器件特别是磁性材料的要求也越高，成本会有增加，所以国内模块电源产品开关频率多为在300kHz以下，甚至有的只有100kHz左右，这样就难以满足负载变条件下动态响应的要求，因此高要求场合应用要考虑采用高开关频率的产品。另外一方面当模块电源开关频率接近信号工作频率时容易引起差拍振荡，选用时也要考虑到这一点。
隔离度 　　绝大多数的电路都必须实现隔离，即将负载连同负载对本地电源的噪声与电网的其他负载和噪声隔开。只有隔离变换器能够达到这个要求。 　　采用隔离变换器除了实现上述要求之外，还可以实现差分形式的输出，以及双极型输出(见图)。 　　此外，将隔离型变换器的输出高压端与负载的电源地相连，就形成了负电源。由于电压参考点不是地，因此负载可以获得更高的电压。 　　采用隔离型变换器的另一个妙处是：可以将多个具有不同输出电压的变换器级联起来，构成一个电源。对于那些单个变换器的输出电压达不到工作电压要求的设备，这种特性非常有用。 　　在一定时限内(通常是1秒)变换器所能承受的、施加在输入端和输出端之间的最高电压，称为变换器的隔离强度。而变换器的额定工作电压是指变换器能长时间承受的加在输入端的电压，这个电压低于隔离强度。 　　在选择隔离型变换器时还需要考虑器件的泄漏电流指标，泄漏电流是指因输入回路和输出回路之间的耦合电容而产生的电流。只要给定隔离电容的值，并且确定噪声频率，就可以根据阻抗计算出泄漏电容的大小。 　　泄漏电流随噪声电压的增加而增大，随隔离电容的减小而减小。因此，设计低噪声电源时，应该选择隔离强度高而隔离电容低的DC/DC变换器，以减小泄漏电流。
通常在医疗设备里需要很高的隔离电压,这样的话,漏电流就小,对身体的危害就小.　　一般场合使用对模块电源隔离电压要求不是很高，但是更高的隔离电压可以保证模块电源具有更小的漏电流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前业界普遍的隔离电压水平为1500VDC以上。
什么是电涌?
电涌被称为瞬态过电，是电路中出现的一种短暂的电流、电压波动,在电路中通常持续约百万分之一秒。220 伏电路系统中持续瞬间(百万分之一秒)的 5,000或10,000伏的电压波动，即为电涌或瞬态过电。
电涌的来源：
简单而言，来自两个方面：外部电涌和内部电涌。
来自外部的电涌： 最主要的来源是雷电。当云层中有电荷集蓄，云层下的地表集蓄了极性相反的等量电荷时，便发生了雷电放电，云层和地面间的电荷电位高达若干百万伏，发生雷击时,以若干千安计的电流通过雷击放电，经过所有的设备和大地返回云层，从而完成了电的通路。不幸的是，通路常常是取道重要或贵重的设备。如果雷电击中了附近的电力线，部分电流将沿线进入建筑物，这股巨大的电流就会直接扰乱或破坏计算机和其它敏感的电气设备,其速度之快,全程只需百万分之一秒。
外部电涌的另一个来源是电力公司的公用电网开关在电力线上产生的过电压。
来自内部的电涌： 88％的电涌产生于建筑物内部的设备，如：空调、电梯、电焊机、空气压缩机、水泵、开关电源、复印机和其它感应性负荷。 电涌对计算机和其它敏感电气设备的危害：
计算机技术发展至今，多层、超规模的集层芯片，电路密集，趋向是集成度更高、元器件间隙更小、导线更细。几年前，一平方厘米的计算机芯片有 2,000个晶体管而现在的奔腾机则超过10,000,000个。从而增加了计算机受电涌损坏的概率。
由于计算机的设计和结构决定了它应在特定的电压范围内工作。当电涌超出计算机能承受的水平时，计算机将出现数据乱码，芯片被损坏，部件提前老化，这些症状包括：出乎预料的数据错误，接收/输送数据的失败，丢失文档，工作失常，经常需要维修，原因不明的故障和硬件问题等等。
雷电电涌远远超出了计算机和其它电气设备所能承受的水平，绝大多数情况下，造成计算机和其它电器设备的当即毁坏，或数据的永远丢失。即使是一个20马力的小型感应式发动机的启动或关闭也会产生3,000－5,000伏的电涌，使和它共用同一配电箱的计算机在每一次电涌中都会受到损坏或干扰，这种电涌的次数非常频繁。
电涌会损坏那些电气设备？
含有微处理器的电气设备极易受到电涌的损坏，这包括计算机和计算机的辅助设备、程序控制器、PLC、传真机、电话、留言机等；程控交换机、广播电视发送机、微波中继设备；家电行业的产品包括电视、音响、微波炉、录像机、洗衣机、烘干机和电冰箱等。美国的调查数据表明，在保修期内出现问题的电气产品中，有63％是由于电涌造成的。
电涌的来源
　　电涌可来自电气装置外部，也可来自电气装置内部，即来自电气装置内的电器设备。
　　来自外部的电涌 这种电涌由雷电或公用电网开关的投切引起，这两类有害的电源扰动都可扰乱计算机和微机信息处理系统的工作，引起停工或永久性设备损坏。
　　当云层上有电荷储蓄，云层下表面产生极性相反的等量电荷时，将引起雷电放电。其后的情况就象一个大电池组或一个大电容器的放电那样，云层和地面间的电荷电位高达若干百万伏。发生雷击时以若干千安计的电流通过雷击放电，经过所有设备和大地返回云层，从而完成电的通路。不幸的是这个雷电通路常常取道重要或贵重的设备。电涌防护的关键概念是给雷电感应电流提供一个通向大地的短捷有效的通路。这样雷电涌流将从设备外分流。
大的雷击电流值常被例举应用，其实它发生的可能性很小。如Bellcore公司的工程师们将电涌防护器的泄放电流规定为20000A（见参考资料TR-NWT-001011）。虽然他们按经验将出现在其电气设备装置中的最大尖峰电流定为10000A，他们仍取100%的安全系数，即将电涌防护器的泄放电流规定为2000A。
　　在线路高度暴露地段发生21万A的雷击电流（有记录的最大值之一）的机会只占总雷击机会的0.5%。如此大的雷击电流极少出现在建筑物电源进线处，但仍须重视对这种外来电涌的防范。
　　来自内部的电涌 来自内部的电涌是经常发生的，诸如来自空调机、空压机、电弧焊机、电泵、电梯、开关电源和其它一些感性负荷的电涌。例如一台20hp的感应电动机（线电压230V，4级，Y结线）在最大转矩时每相具有约39J的储存能量，当其标称方根值电流被截断时，它将产生瞬态过电压。它经常发生，和它自同一配电箱供电的其它负荷将因此易受损坏或工作失常。 　　不要以为电气装置电源进线上的过电压防护器可以保护电气设备不受内部电涌的危害。它不能，它只能对沿电源线进入电气装置的外部电涌进行防范，因大容量的进线防护器距内部电涌发生处的距离太远。
平均故障间隔时间 　　很多DPA系统都要求高度的可靠性，这就对平均故障间隔时间(MTTF)提出了要求。在这里要提醒读者，仅凭产品说明书上的数据是不能评价某个产品可靠性的优劣的。 　　造成这个问题的原因是，目前国际上尚未制定出公认的关于MTTF指标的定义和计算标准，各厂商普遍使用的是美国军用标准MIL-HDBK-217F中的“一般情况下的”可靠性预测方法，以及Bellcore标准TR-NWT-000332中的电信设备模型。不过，即便是声称遵照同一标准推算出来的MTTF指标，常常也不一致。 　　这种不一致的第一个来源，是计算公式中对元器件特性的处理方式不同(例如某些算式将焊接点的影响忽略不计，而焊接点故障是电路失效的最常见原因之一)；来源之二是元器件的可靠性指标。举个例子，某些厂商采用MIL-HDBK-217F中的器件数据和故障率数据，另外一些厂商则采用其他渠道的数据；第三个来源是具体的计算方法差异(即便是MIL-HDBK，也给出了两种不同的预测工具)。当然，在变换器投入使用之前，任何MTTF指标都毫无意义。 　　温度对可靠性有显著的影响，经验公式是：环境温度每升高10℃，器件寿命将缩短一半。如果主要的设备需要在40℃～50℃条件下运行，并且电源部件的温度高于环境温度20℃，那么，25℃条件下推算出来的MTTF指标就失去了意义。 　　实践证明，设计人员必须透过产品说明书的数据，深入地理解厂商推算MTTF的方法。必须去查询推算的详细步骤，知道原始数据的来源及其测量条件，对于那些无法提供详细资料的厂商，应该对其指标持保留态度。
C的模块的MTBF增大20%。而在较高的温度下，MTBF迅速下降。因此尽量降低模块的温度对提高其可靠性有很大好处°　　本公司提供的可靠性参数MTBF是根据MIL-HDBK217可靠性预测的标准计算出来的，在计算过程中考虑现代器件的发展状态，根据一些厂家提供的可靠性指标进行了一定的修正。这里温度是影响电源模块整体可靠性的重要因素。一般每降低10
有关统计数据表明，模块电源在预期有效时间内失效的主要原因是外部故障条件下损坏。而正常使用失效的机率是很低的。因此延长模块电源寿命、提高系统可靠性的重要一环是选择保护功能完善的产品，即在模块电源外部电路出现故障时模块电源能够自动进入保护状态而不至于永久失效，外部故障消失后应能自动恢复正常。模块电源的保护功能应至少包括输入过压、欠压、软启动保护；输出过压、过流、短路保护，大功率产品还应有过温保护等。
功耗和效率 　　 根据公式 ，其中Pin、Pout、P耗分别为模块电源输入、输出功率和自身功率损耗。由此可以看出，输出功率一定条件下，模块损耗P耗越小，则效率越高，温升就低，寿命更长。除了满载正常损耗外，还有两个损耗值得注意：空载损耗和短路损耗（输出短路时模块电源损耗），因为这两个损耗越小，表明模块效率越高，特别是短路未能及时采取措施的情况下，可能持续较长时间，短路损耗越小则因此失效的机率也大大减小。当然损耗越小也更符合节能的要求。
软开关技术：为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关/零电流开关（ZVS/ZCS）谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术（ZVS/ZCS-PWM）以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制（ZVT/ZCT-PWM）技术等。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。
稳压精度
Line Regulation：指输入电压在最高和最低之间变化时，输出电压的波动范围。
举例： 一个12V输入，5V输出的电源模块，当输入变化1.2V，而输出变化0.5V，这样它的线性调整率就是1.2/12 / 0.5/5*%/%,等于1%/%
Load Regulation：电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出降低，相反负载减少，输出升高。
举例：一个48V输入，5V输出的电源模块，在稳定输入的情况下，0负载下输出为5V，100%负载下输出为5.1V，这样它的负载调整率为0.1/5，即2%。
一般来说负载/线性调整率差不多0.1%~0.5%左右。这个指标是衡量输出电压精度的