DCDC模塊電源的應(yīng)用與選擇

DCDC模塊電源的中心議題：

如何正確合理的選用DC/DC模塊電源

DCDC模塊電源的解決方案：

額定功率的考慮

封裝形式注意事項(xiàng)

選擇合適的溫度范圍與降額使用

隔離電壓的考慮

功耗和效率的考慮

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(diǎn)，在通信、網(wǎng)絡(luò)、工控、鐵路、軍事等領(lǐng)域日益得到廣泛的應(yīng)用。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)意識(shí)到：正確合理地選用DC/DC模塊電源，可以省卻電源設(shè)計(jì)、調(diào)試方面的麻煩，將主要精力集中在自己專業(yè)的領(lǐng)域，這樣不僅可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)水平，而且更重要的是縮短了整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)周期，為在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先致勝贏得了寶貴商機(jī)。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(fā)設(shè)計(jì)的角度，談一談這方面的問題，以供廣大系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考。

電源模塊選擇需要考慮的幾個(gè)方面

額定功率

封裝形式

溫度范圍與降額使用

隔離電壓

功耗和效率

額定功率

一般建議實(shí)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(guān)，后面將會(huì)提到。)，這個(gè)功率范圍內(nèi)模塊電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。負(fù)載太輕造成資源浪費(fèi)，太重則對(duì)溫升、可靠性等不利。所有模塊電源均有一定的過載能力，但是仍不建議長(zhǎng)時(shí)間工作在過載條件下，畢竟這是一種短時(shí)應(yīng)急之計(jì)。

封裝形式

DC/DC變換器的外形尺寸和輸出形式差異很大。小功率產(chǎn)品采用密封外殼，外形十分纖小;大功率產(chǎn)品常采用quarter-brick 或half-brick的形式，電路或暴露，或以外殼包裹。在選擇時(shí)，需要注意以下兩個(gè)方面：第一，引腳是否在同一平面上;第二，是否便于焊接。SMT形式的變換器必須要符合IEC191-6:1990標(biāo)準(zhǔn)的要求，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SMT器件引腳的共面問題做出了嚴(yán)格限定。器件引腳不共面會(huì)造成器件裝配時(shí)定位困難，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，提高次品率。SMT形式的變換器應(yīng)能承受規(guī)定的焊接條件。對(duì)于絕大多數(shù)現(xiàn)代流水線而言，器件必須滿足 CEC00802標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的回流焊要求，即器件表面溫度可超過300℃。如果變換器不能滿足這個(gè)要求，就需要為其設(shè)計(jì)專門的焊接裝配工藝，這會(huì)增加裝配時(shí)間，提高生產(chǎn)成本。

模塊電源的封裝形式多種多樣，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的也有，非標(biāo)準(zhǔn)的也有，就同一公司產(chǎn)品而言，相同功率產(chǎn)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(gè)方面：① 一定功率條件下體積要盡量小，這樣才能給系統(tǒng)其他部分更多空間更多功能;② 盡量選擇符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝的產(chǎn)品，因?yàn)榧嫒菪暂^好，不局限于一兩個(gè)供貨廠家;③ 應(yīng)具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和升級(jí)。選擇一種封裝，系統(tǒng)由于功能升級(jí)對(duì)電源功率的要求提高,電源模塊封裝依然不變,系統(tǒng)線路板設(shè)計(jì)可以不必改動(dòng),從而大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品升級(jí)更新?lián)Q代，節(jié)約時(shí)間。全部符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為業(yè)界廣泛采用的半磚、全磚封裝，與VICOR、 LAMBDA等著名品牌完全兼容，并且半磚產(chǎn)品功率范圍覆蓋50～200W，全磚產(chǎn)品覆蓋100～300W。

溫度范圍與降額使用

一般廠家的模塊電源都有幾個(gè)溫度范圍產(chǎn)品可供選用：商品級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍用級(jí)等，在選擇模塊電源時(shí)一定要考慮實(shí)際需要的工作溫度范圍，因?yàn)闇囟鹊燃?jí)不同材料和制造工藝不同價(jià)格就相差很大，選擇不當(dāng)還會(huì)影響使用，因此不得不慎重考慮?？梢杂袃煞N選擇方法：一是根據(jù)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(shí)際使用功率已經(jīng)接近額定功率，那么模塊標(biāo)稱的溫度范圍就必須嚴(yán)格滿足實(shí)際需要甚至略有裕量。二是根據(jù)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(chǎn)品，但有時(shí)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(chǎn)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(jí)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(chǎn)品，功率利用更充分，封裝也更小一些，但價(jià)格較高;要么選擇一般溫度范圍產(chǎn)品，價(jià)格低一些，功率裕量和封裝形式就得大一些。應(yīng)折衷考慮。

商品級(jí)(0 ℃ 到+70 ℃)

工業(yè)級(jí)(-40 ℃ 到+85 ℃)

軍用級(jí)(-55 ℃到+125 ℃)

變頻與定頻

和所有開關(guān)型器件一樣，DC/DC變換器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此濾波性能的好壞也是重要的選型依據(jù)。集成化的DC/DC變換器通常采用的是變頻開關(guān)技術(shù)或是定頻開關(guān)技術(shù)?！　〔捎米冾l開關(guān)技術(shù)的變換器由于要根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行不斷調(diào)整，所以會(huì)導(dǎo)致頻帶展寬，增加濾波器的復(fù)雜度。而定頻開關(guān)變換器在這方面則簡(jiǎn)便許多，甚至可以使用LC濾波器。

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(dòng)態(tài)響應(yīng)也更好，但是對(duì)元器件特別是磁性材料的要求也越高，成本會(huì)有增加，所以國(guó)內(nèi)模塊電源產(chǎn)品開關(guān)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(fù)載變條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，因此高要求場(chǎng)合應(yīng)用要考慮采用高開關(guān)頻率的產(chǎn)品。另外一方面當(dāng)模塊電源開關(guān)頻率接近信號(hào)工作頻率時(shí)容易引起差拍振蕩，選用時(shí)也要考慮到這一點(diǎn)。

隔離度

絕大多數(shù)的電路都必須實(shí)現(xiàn)隔離，即將負(fù)載連同負(fù)載對(duì)本地電源的噪聲與電網(wǎng)的其他負(fù)載和噪聲隔開。只有隔離變換器能夠達(dá)到這個(gè)要求?！　〔捎酶綦x變換器除了實(shí)現(xiàn)上述要求之外，還可以實(shí)現(xiàn)差分形式的輸出，以及雙極型輸出(見圖)。　　此外，將隔離型變換器的輸出高壓端與負(fù)載的電源地相連，就形成了負(fù)電源。由于電壓參考點(diǎn)不是地，因此負(fù)載可以獲得更高的電壓?！　〔捎酶綦x型變換器的另一個(gè)妙處是：可以將多個(gè)具有不同輸出電壓的變換器級(jí)聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)電源。對(duì)于那些單個(gè)變換器的輸出電壓達(dá)不到工作電壓要求的設(shè)備，這種特性非常有用?！　≡谝欢〞r(shí)限內(nèi)(通常是1秒)變換器所能承受的、施加在輸入端和輸出端之間的最高電壓，稱為變換器的隔離強(qiáng)度。而變換器的額定工作電壓是指變換器能長(zhǎng)時(shí)間承受的加在輸入端的電壓，這個(gè)電壓低于隔離強(qiáng)度。　　在選擇隔離型變換器時(shí)還需要考慮器件的泄漏電流指標(biāo)，泄漏電流是指因輸入回路和輸出回路之間的耦合電容而產(chǎn)生的電流。只要給定隔離電容的值，并且確定噪聲頻率，就可以根據(jù)阻抗計(jì)算出泄漏電容的大小?！　⌒孤╇娏麟S噪聲電壓的增加而增大，隨隔離電容的減小而減小。因此，設(shè)計(jì)低噪聲電源時(shí)，應(yīng)該選擇隔離強(qiáng)度高而隔離電容低的DC/DC變換器，以減小泄漏電流。