DC-DC电源模块选型

来源:未知  发布时间:2013-09-11 20:04  Tags:DC-DC,电源模块 
电源以其体积小巧、性能卓异、使用方便的显着特点,在通信、网络、工控、铁路、军事等领域日益得到广泛的应用。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。 DCDC的意思是直流...

电源以其体积小巧、性能卓异、使用方便的显着特点,在通信、网络、工控、铁路、军事等领域日益得到广泛的应用。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。

DCDC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器。具体是指通过自激振荡电路把输入的直流电转变为交流电,再通过变压器改变电压之后再转换为直流电输出,或者通过倍压整流电路将交流电转换为高压直流电输出。

1 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

2 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。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。

3 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。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。

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。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等着名品牌完全兼容,并且半砖产品功率范围覆盖50~200W,全砖产品覆盖100~300W。

4 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。应折衷考虑。

商品级(0 ℃ 到+70 ℃)

工业级(-40 ℃ 到+85 ℃)

军用级(-55 ℃到+125 ℃)

5 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。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。

6 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。

7 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。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。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。

8 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。

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,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。

9 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。

10 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。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。

11 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。在变换器投入使用之前,任何MTTF指标都毫无意义。温度对可靠性有显着的影响,经验公式是:环境温度每升高10℃,器件寿命将缩短一半。

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。

12 功耗和效率

根据计算公式 ,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。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。