电源模块的应用设计和品质同样重要

只看该作者 · 2015-4-15 11:47

本帖最后由 mornsun 于 2015-4-15 11:53 编辑

一、序言
DC_DC模块电源越来越多的应用于通信、工业自动化、电力控制、轨道交通、矿业、军工等行业。而模块化的设计，可以有效的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模块的电源系统的可靠性？我们大部分时候想到的是选择一家品牌好的供应商提供高可靠的电源模块。然而，选择一款高可靠的电源模块，是否就意味着我们的电源系统非常可靠呢？本文就这个主题作简要分析与探讨。
关键词
电源应用设计、DC-DC模块电源、可靠性
二、为什么需要DC_DC模块电源？
DC-DC隔离模块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离降低噪声、电压转换、稳压和保护功能。使用DC-DC隔离模块电源的四大作用如下：
　　其一，模块电源采用隔离式设计，可以有效的隔离来自一次侧设备带来的共模干扰对系统的影响，使负载能够稳定的工作。
　　其二，不同的负载需要不同的供电电压，例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信号采集用的运放则需要±15V；继电器则需要12V，24V。而母线电压多为24V，因此需要进行电压转换。
　　其三，母线电压在长距离传输过程中会存在线损，故到PCB板级时电压较低，而负载需要稳定的电压，因此需要宽压输入，稳压输出。
　　其四，电源需要在异常情况下，保护系统的负载和本身不坏。
　　那么，如何选择DC-DC模块电源？
三、如何选择高可靠性的DC-DC模块电源
1.采用成熟的电源拓扑
　电源模块的设计尽量选用成熟的电源拓扑，这些拓扑已经经过时间的考验，成熟可靠。例如1-2W的定压输入DC-DC电源模块选择Royer电路，而宽压输入系列则多选Flyback拓扑，部分Forward拓扑。
2.全负载范围内高效率
　高效率意味着更低的功率损失和更低的温升，可以有效提高可靠性。在实际应用中，电源都会选择一定程度的降额设计，特别是在负载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，全负载范围内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%的负载情况下效率较低。
　　以金升阳的15W DC-DC模块电源VRB2412LD-15WR2为例，VRB2412LD-15WR2在额定电压24V输入时轻载10%的效率比主流同行水平高出15%，如图1和图2所示。

只看该作者 · 2015-4-15 11:49

本帖最后由 mornsun 于 2015-4-15 11:54 编辑

　　通过效率的提升也可以有效的降低产品的外壳温升，VRB2412LD-15WR2在实际负载工作时的温升要低13.8度。
3.极限温度特性
　　电源模块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模块的工作温度范围最低要求为-40度~85度，也有做到更好的，例如金升阳的定压R2代1-2W工作温度可以做到-40度~105度。如果在汽车BMS、高压母线监测应用，则需要工作温度为-40度~125度，目前业界DC-DC模块只有金升阳的CF0505XT-1WR2的产品工作温度可以做到125度。
　　极限温度试验是最能检验电源模块可靠性的方法，例如高温老化、高温&低温带电工作性能测试、高低温循环冲击试验和长时间高温高湿测试等。正规的电源开发都会经过以上测试。因此，是否有此类测试设备也成为了判断电源厂商是否为山寨厂商的依据。
4.高隔离、低隔离电容
　　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，即要求尽量高的隔离耐压，和尽量低的隔离电容，用以降低共模干扰对系统的影响。如果在医疗或电力电子应用，1-2W DC_DC建议选取隔离电容低于10pF左右的电源模块，宽压产品则尽量选取低于150pF的电源模块。
EMC特性
EMC性能是电子系统正常、安全工作的保证，目前电子行业对产品的EMC性能都提出了很高的要求，我们经常遇到客户抱怨因EMC处理不好导致系统的复位重启甚至是早期失效，因此优良的EMC特性是电源模块核心竞争力。
四、电源系统应用设计的可靠性
　电源本身的可靠性固然重要，但是实际上，由于电源系统工作环境的复杂性，再可靠的电源如果没有可靠的系统应用设计，最终电源还是会失效。下面介绍几种常见的电源系统应用设计的方法和注意事项。
1）冗余设计技巧
　　在可靠性要求高的场合，要求电源模块即使损坏，系统也不能断电。此时，我们可以采取冗余供电的方式来提升系统的可靠性。如下图所示，当一个电源模块损坏时，另外一个模块可以继续供电。图3为其中一种常见的冗余设计方案。

只看该作者 · 2015-4-15 11:52

本帖最后由 mornsun 于 2015-4-15 11:56 编辑

　　注意事项：D1、D2建议使用低压降的肖特基二极管，以避免二极管的压降影响后端系统的工作，并注意选取二极管的耐压值要高于输出电压。这种方**产生额外的纹波噪声，需外接电容来减小纹波或是加滤波电路。
2）降额设计
　众所周知，降额设计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，金升阳DC_DC模块电源建议在负载范围30%~80%内使用，此时各方面性能表现最佳。
3）合理外围防护设计
　　电源模块应用行业非常多，应用的环境要求也不近相同，因为其通用性设计，DC-DC模块电源仅能满足通用共性需求。因此当客户的应用环境要求苛刻时，需要加适当的外围电路来提升电源的可靠性。
　　以金升阳的20W DC-DC铁路电源URB24XXLD-20WR2为例，单独模块只能通过EN50155 1.4倍输入电压Vin的1S测试，但因为体积原因没有办法通过RIA12的标准，通过添加外围电路（也可以选择金升阳EMC辅助器FC-AX3D），就能通过RIA12要求的3.5Vin/20mS的等测试要求。因而合理的外围电路设计可以使模块满足更高等级的技术规格，使之适应更恶劣的应用环境，提升电源模块的可靠性。
4）散热设计
工业级的电源模块的损坏大约有15%是因为散热不良导致的，电源模块是朝着小型化和集成化方向发展，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：
1.电源模块的对流通风
　对于依靠自然对流和热辐射来散热的电源模块，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。
2.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块，相互之间应尽量远离，避免相互之间热辐射传递导致电源模块过热。

图4 电源模块在PCB垂直放置
3.合理的PCB板设计
　　PCB板提供了一种散热途径，在设计时就要多考虑散热途径。例如加大主回路的铜皮面积，降低PCB板上元器件的密度等，改善模块的散热面积和散热通道，例如电源模块应尽量垂直放置如图4，可以使热量尽快向上散发；如果将DC-DC模块放在PCB的底部，则向上散发的热量会被PCB阻挡，导致产品积热无法散发出去。
4.更大封装尺寸和散热面积
　　同样功率的电源，如果可能尽量选择尺寸更大的封装和散热面更大的散热器，或者使用导热胶将电源模块外壳与机壳连接。这样电源模块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。
5）匹配性设计、安规设计
　　电源的输入走线尽量保持直线，避免形成环路天线吸引外界辐射干扰。同时输入线和输出线需要按照UL60950的安规要求保持合适的间距，避免耐压失效。再者，电源底板下禁止布线，特别是信号线，电源变压器的电磁线会对信号形成干扰。
　　另外一个设计师需注意的是，需要关注一次电源和二次电源之间，以及电源与系统工作频率的倍频错开，避开相互之间的系统匹配性问题。
五、小结
DC_DC电源模块的可靠应用需要电源原厂提供高品质电源，同时也需要设计工程师合理的应用设计，只有从设计和应用双向考虑才能最终获得可靠的电源系统。