選擇電源模塊需要考慮的問題

　　DCDC的意思是直流變（到）直流（不同直流電源值的轉(zhuǎn)換），只要符合這個定義都可以叫DCDC轉(zhuǎn)換器。具體是指通過自激振蕩電路把輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，再通過變壓器改變電壓之后再轉(zhuǎn)換為直流電輸出，或者通過倍壓整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電輸出。

　　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(wǎng)絡(luò)、工控、鐵路、軍事等領(lǐng)域日益得到廣泛的應(yīng)用。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)計的角度，談一談這方面的問題，以供廣大系統(tǒng)設(shè)計人員參考。

1 電源模塊選擇需要考慮的幾個方面

　　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

2 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(guān)，后面將會提到。），這個功率范圍內(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。所有模塊電源均有一定的過載能力，但是仍不建議長時間工作在過載條件下，畢竟這是一種短時應(yīng)急之計。

3 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?。淮蠊β十a(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，需要注意以下兩個方面：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SMT器件引腳的共面問題做出了嚴(yán)格限定。如果變換器不能滿足這個要求，就需要為其設(shè)計專門的焊接裝配工藝，這會增加裝配時間，提高生產(chǎn)成本。

　　模塊電源的封裝形式多種多樣，符合國際標(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 盡量選擇符合國際標(biāo)準(zhǔn)封裝的產(chǎn)品，因為兼容性較好，不局限于一兩個供貨廠家；③ 應(yīng)具有可擴展性，便于系統(tǒng)擴容和升級。全部符合國際標(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。

4 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(chǎn)品可供選用：商品級、工業(yè)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(dāng)還會影響使用，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。應(yīng)折衷考慮。

　　商品級（0 ℃ 到+70 ℃）

　　工業(yè)級（-40 ℃ 到+85 ℃）

　　軍用級（-55 ℃到+125 ℃）

5 變頻與定頻

　　和所有開關(guān)型器件一樣，DC/DC變換器在工作時會產(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)。而定頻開關(guān)變換器在這方面則簡便許多，甚至可以使用LC濾波器。

6 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(tài)響應(yīng)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(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)載變條件下動態(tài)響應(yīng)的要求，因此高要求場合應(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)頻率接近信號工作頻率時容易引起差拍振蕩，選用時也要考慮到這一點。

7 隔離度

　　絕大多數(shù)的電路都必須實現(xiàn)隔離，即將負(fù)載連同負(fù)載對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)到這個要求。采用隔離變換器除了實現(xiàn)上述要求之外，還可以實現(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。由于電壓參考點不是地，因此負(fù)載可以獲得更高的電壓。在一定時限內(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度。因此，設(shè)計低噪聲電源時，應(yīng)該選擇隔離強度高而隔離電容低的DC/DC變換器，以減小泄漏電流。

　　通常在醫(yī)療設(shè)備里需要很高的隔離電壓，這樣的話，漏電流就小，對身體的危害就小。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(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。

8 什么是電涌？

　　電涌被稱為瞬態(tài)過電，是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流、電壓波動，在電路中通常持續(xù)約百萬分之一秒。220 伏電路系統(tǒng)中持續(xù)瞬間（百萬分之一秒）的 5,000或10,000伏的電壓波動，即為電涌或瞬態(tài)過電。

　　電涌的來源：簡單而言，來自兩個方面：外部電涌和內(nèi)部電涌。來自外部的電涌： 最主要的來源是雷電。當(dāng)云層中有電荷集蓄，云層下的地表集蓄了極性相反的等量電荷時，便發(fā)生了雷電放電，云層和地面間的電荷電位高達(dá)若干百萬伏，發(fā)生雷擊時，以若干千安計的電流通過雷擊放電，經(jīng)過所有的設(shè)備和大地返回云層，從而完成了電的通路。不幸的是，通路常常是取道重要或貴重的設(shè)備。

　　外部電涌的另一個來源是電力公司的公用電網(wǎng)開關(guān)在電力線上產(chǎn)生的過電壓。

　　來自內(nèi)部的電涌：88％的電涌產(chǎn)生于建筑物內(nèi)部的設(shè)備，幾年前，一平方厘米的計算機芯片有 2,000個晶體管而現(xiàn)在的奔騰機則超過10,000,000個。從而增加了計算機受電涌損壞的概率。

　　由于計算機的設(shè)計和結(jié)構(gòu)決定了它應(yīng)在特定的電壓范圍內(nèi)工作。當(dāng)電涌超出計算機能承受的水平時，計算機將出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼，芯片被損壞，部件提前老化，這些癥狀包括：出乎預(yù)料的數(shù)據(jù)錯誤，接收/輸送數(shù)據(jù)的失敗，丟失文檔，工作失常，經(jīng)常需要維修，原因不明的故障和硬件問題等等。

　　雷電電涌遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計算機和其它電氣設(shè)備所能承受的水平，絕大多數(shù)情況下，造成計算機和其它電器設(shè)備的當(dāng)即毀壞，或數(shù)據(jù)的永遠(yuǎn)丟失。即使是一個20馬力的小型感應(yīng)式發(fā)動機的啟動或關(guān)閉也會產(chǎn)生3,000－5,000伏的電涌，使和它共用同一配電箱的計算機在每一次電涌中都會受到損壞或干擾，這種電涌的次數(shù)非常頻繁。

9 電涌會損壞那些電氣設(shè)備？

　　含有微處理器的電氣設(shè)備極易受到電涌的損壞，這包括計算機和計算機的輔助設(shè)備、程序控制器、PLC、傳真機、電話、留言機等；程控交換機、廣播電視發(fā)送機、微波中繼設(shè)備；家電行業(yè)的產(chǎn)品包括電視、音響、微波爐、錄像機、洗衣機、烘干機和電冰箱等。美國的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在保修期內(nèi)出現(xiàn)問題的電氣產(chǎn)品中，有63％是由于電涌造成的。

10 電涌的來源

　　電涌可來自電氣裝置外部，也可來自電氣裝置內(nèi)部，即來自電氣裝置內(nèi)的電器設(shè)備。來自外部的電涌 這種電涌由雷電或公用電網(wǎng)開關(guān)的投切引起，這兩類有害的電源擾動都可擾亂計算機和微機信息處理系統(tǒng)的工作，引起停工或永久性設(shè)備損壞。

　　當(dāng)云層上有電荷儲蓄，云層下表面產(chǎn)生極性相反的等量電荷時，將引起雷電放電。其后的情況就象一個大電池組或一個大電容器的放電那樣，云層和地面間的電荷電位高達(dá)若干百萬伏。發(fā)生雷擊時以若干千安計的電流通過雷擊放電，經(jīng)過所有設(shè)備和大地返回云層，從而完成電的通路。不幸的是這個雷電通路常常取道重要或貴重的設(shè)備。電涌防護(hù)的關(guān)鍵概念是給雷電感應(yīng)電流提供一個通向大地的短捷有效的通路。來自內(nèi)部的電涌 來自內(nèi)部的電涌是經(jīng)常發(fā)生的，諸如來自空調(diào)機、空壓機、電弧焊機、電泵、電梯、開關(guān)電源和其它一些感性負(fù)荷的電涌。

11 平均故障間隔時間

　　很多DPA系統(tǒng)都要求高度的可靠性，這就對平均故障間隔時間（MTTF）提出了要求。在這里要提醒讀者，僅憑產(chǎn)品說明書上的數(shù)據(jù)是不能評價某個產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣的?！　≡斐蛇@個問題的原因是，目前國際上尚未制定出公認(rèn)的關(guān)于MTTF指標(biāo)的定義和計算標(biāo)準(zhǔn)，各廠商普遍使用的是美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217F中的“一般情況下的”可靠性預(yù)測方法，以及Bellcore標(biāo)準(zhǔn)TR-NWT-000332中的電信設(shè)備模型。不過，即便是聲稱遵照同一標(biāo)準(zhǔn)推算出來的MTTF指標(biāo)，常常也不一致。在變換器投入使用之前，任何MTTF指標(biāo)都毫無意義。溫度對可靠性有顯著的影響，經(jīng)驗公式是：環(huán)境溫度每升高10℃，器件壽命將縮短一半。

　　有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，模塊電源在預(yù)期有效時間內(nèi)失效的主要原因是外部故障條件下?lián)p壞。而正常使用失效的機率是很低的。

12 功耗和效率

　　根據(jù)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。當(dāng)然損耗越小也更符合節(jié)能的要求。

　　軟開關(guān)技術(shù)：為提高變換器的變換效率，各種軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，具有代表性的是無源軟開關(guān)技術(shù)和有源軟開關(guān)技術(shù)，主要包括零電壓開關(guān)/零電流開關(guān)（ZVS/ZCS）諧振、準(zhǔn)諧振、零電壓/零電流脈寬調(diào)制技術(shù)（ZVS/ZCS-PWM）以及零電壓過渡/零電流過渡脈寬調(diào)制（ZVT/ZCT-PWM）技術(shù)等。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效的降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器變換效率的提高。