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如何選擇合適的模塊電源

時間2018-10-7 10:25:57 點擊量:

DC/DC 模塊電源以其體積小巧、性能卓異、使用方便的顯著特點,在通信、網絡、工控、鐵路、軍事 等領域日益得到廣泛的 應用。很多系統設計人員已經意識到:正確合理地選用 DC/DC模塊電源,可以省 卻電源設計、調試方面的麻煩,將主要精力集中 在自己專業的領域,這樣不僅可以提高整體系統的可靠 性和設計水平,而且更重要的是縮短了整個產品的研發周期,為在激烈的 市場競爭中領先致勝贏得了寶 貴商機。那么,怎樣正確合理地選用DC/DC模塊電源呢,筆者將從DC/DC模塊電源開發設計的角度, 結合 近年來能達模塊電源推廣使用過程中得到的用戶信息反饋,談一談這方面的問題,以供廣大系統設計人員 參考。 

DC/DC 模塊電源的選擇 

選擇使用DC/DC模塊電源除了最基本的電壓轉換功能外,還有以下幾個方面需要考慮: 

1.額定功率 

一般建議實際使用功率是模塊電源額定功率的30~80%為宜(具體比例大小還與其他因素有關,后面 將會提到。),這個功 率范圍內模塊電源各方面性能發揮都比較充分而且穩定可靠。負載太輕造成資源 浪費,太重則對溫升、可靠性等不利。所有模塊 電源均有一定的過載能力。 

2.封裝形式 

模塊電源的封裝形式多種多樣,符合國際標準的也有,非標準的也有,就同一公司產品而言,相同功 率產品有不同封裝,相同封裝有不同功率,那么怎么選擇封裝形式呢?主要有三個方面:① 一定功率條 件下體積要盡量小,這樣才能給系統其他部分 更多空間更多功能;② 盡量選擇符合國際標準封裝的產品 ,因為兼容性較好,不局限于一兩個供貨廠家;③ 應具有可擴展性, 便于系統擴容和升級。選擇一種封 裝,系統由于功能升級對電源功率的要求提高,電源模塊封裝依然不變,系統線路板設計可以不 必改動,從 而大大簡化了產品升級更新換代,節約時間。 

3.溫度范圍與降額使用 

一般廠家的模塊電源都有幾個溫度范圍產品可供選用:商品級、工業級、軍用級等,在選擇模塊電源 時一定要考慮實際需要 的工作溫度范圍,因為溫度等級不同材料和制造工藝不同價格就相差很大,選擇 不當還會影響使用,因此不得不慎重考慮。可以 有兩種選擇方法:一是根據使用功率和封裝形式選擇, 如果在體積(封裝形式)一定的條件下實際使用功率已經接近額定功率,那么模塊標稱的溫度范圍就必須 嚴格滿足實際需要甚至略有裕量。二是根據溫度范圍來選,如果由于成本考慮選擇了較小溫度范圍的產品 ,但有時也有溫度逼近極限的情況,怎么辦呢?降額使用。即選擇功率或封裝更大一些的產品,這樣“大 馬拉小車”,溫升要低一些,能夠從一定程度上緩解這一矛盾。降額比例隨功率等級不同而不同,一般 50W 以上為 3~10W/℃。總之要么選擇寬溫度范圍的產品,功率利用更充分,封裝也更小一些,但價格較 高;要么選擇一般溫度范圍產品,價格低一些,功率裕量和封裝形式就得大一些。應折衷考慮。 

4.工作頻率 

一般而言工作頻率越高,輸出紋波噪聲就更小,電源動態響應也更好,但是對元器件特別是磁性材料 的要求也越高,成本會 有增加,所以國內模塊電源產品開關頻率多為在 300kHz以下,甚至有的只有 100kHz左右,這樣就難以滿足負載變條件下動態響應的要求,因此高要求場合應用要考慮采用高開關頻率 的產品。另外一方面當模塊電源開關頻率接近信號工作頻率時容易引起差拍振蕩,選用時也要考慮到這一 點。愛浦模塊電源開關頻率最高可達500kHz,具有優良的輸出特性。 

5.隔離電壓 

一般場合使用對模塊電源隔離電壓要求不是很高,但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的 漏電流,更高的安全性和可靠性,并且EMC特性也更好一些,因此目前業界普遍的隔離電壓水平為 1500VDC以上。 

6.故障保護功能 

有關統計數據表明,模塊電源在預期有效時間內失效的主要原因是外部故障條件下損壞。而正常使用 失效的機率是很低的。因此延長模塊電源壽命、提高系統可靠性的重要一環是選擇保護功能完善的產品, 即在模塊電源外部電路出現故障時模塊電源能夠自動進入保護狀態而不至于永久失效,外部故障消失后應 能自動恢復正常。模塊電源的保護功能應至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護;輸出過壓、過流、短路 保護,大功率產品還應有過溫保護等。 

7.功耗和效率 

根據公式,其中Pin、Pout、P耗分別為模塊電源輸入、輸出功率和自身功率損耗。由此可以看出,輸 出功率一定條件下,模塊損耗 P耗越小,則效率越高,溫升就低,壽命更長。除了滿載正常損耗外,還有 兩個損耗值得注意:空載損耗和短路損耗(輸出短路時模塊電源損耗),因為這兩個損耗越小,表明模塊 效率越高,特別是短路未能及時采取措施的情況下,可能持續較長時間,短路損耗越小則因此失效的機率 也大大減小。當然損耗越小也更符合節能的要求。 

  

模塊電源應用注意事項 

1、極輕載使用 

一般模塊電源有最小負載限制,各廠家有所不同,普遍為10%左右,因為負載太輕時儲能元件續流困 難會發生電流不連續,從而導致輸出電壓不穩定,這是由電源本身的工作原理決定的。但是如果用戶的確 有輕載甚至空載使用的情況怎么辦呢,最方便有效的方法是加一定的假負載,約為輸出功率的 2%左右, 可以由模塊廠商出廠前預置,也可以由用戶在模塊外安裝適當電阻作為負載。值得注意的是如果選擇前者 ,模塊效率會有所降低。但是有的電路拓撲卻沒有最小負載限制。 

2、多路輸出功率分配 

選擇多路輸出模塊電源時要注意不同路輸出之間的功率分配。以雙路產品為例,一般有兩種類型:一 種是雙路平衡負載的,即雙路電流大小一樣;另一種是不平衡負載的,即主、輔路負載電流不相同,主路 大,輔路小。對于這種產品,建議選擇輔路與主路功率之比為1/5~1/2 為宜,在此范圍內輔路的電壓穩 定性才有保證(可在5%以內),否則輔路電壓就會偏高或偏低。另一方面如果雙路負載本來就不相同也盡 量不要選用平衡負載型模塊電源,因為此種電源專門針對對稱負載設計,若負載不平衡輔路電壓精度不高 。 

3、設法降低模塊電源的溫升 

模塊內部器件的工作溫度的高低直接影響模塊電源的壽命,器件溫度越低模塊壽命越長。在一定的工 作條件下,模塊電源的損耗是一定的,但是可以通過改善模塊電源的散熱條件來降低其溫升,從而大大延 長其使用壽命。比如:50W 以上的模塊電源必須安裝散熱器,散熱器的表面積越大越有利于散熱,且散熱 器的安裝方向應盡量有利于空氣的自然對流,功率在 150W以上除安裝散熱器以外還可以加裝扇強制風冷 。此外在環境溫度較高或空氣流通條件較差的地方模塊須降額使用以減小功耗從而降低溫升,延長使用壽 命。 

4、合理安裝減小機械應力 

模塊電源的引出方式均為金屬針,模塊電源與外接線路、金屬針與模塊電源內路電路均采用焊接方式 連接。在一些特殊場合機械振動強度較大,尢其是大功率模塊電源上還要加裝散熱器,這種情況更為嚴重 。雖然模塊電源內部一般灌封導熱絕緣橡膠可以對元件起到較好的緩沖保護作用,但焊點有可能經受不住 強烈振動應力而斷裂,導致模塊電源工作失效,這時必須在焊接的基礎上再采取另外的固定和緩沖措施, 比如可以用夾具或螺栓(對于有螺孔模塊)將模塊與機箱、大線路板等相對抗振性能好的部件固定,并且 在它們中間墊一些彈性材料以緩沖振動產生的應力。

總之,模塊電源和其它元器件一樣只有精心選擇、合理應用才能使其性能得到最大發揮,可靠性得到 充分保障,模塊電源也才會被更廣泛地采用! 


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