DC-DC模塊電源的多種設(shè)計選擇
來源: 發(fā)布時間:2022-03-08 16:16:24 次瀏覽
DC-DC作為一種小型的開關(guān)電源,因其體型小巧、性能強(qiáng)勁等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電子電子的設(shè)計當(dāng)中。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)計人員已經(jīng)意識到:正確合理地選用DC/DC模塊電源,可以省卻電源設(shè)計、調(diào)試方面的麻煩,將主要精力集中在自己的領(lǐng)域,這樣不僅可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計水平,而且更重要的是縮短了整個產(chǎn)品的研發(fā)周期,怎樣正確合理地選用DC/DC模塊電源呢?
其實(shí)在選擇DC-DC直流模塊電源的時候,我們有很多種選擇,除去基本的電壓轉(zhuǎn)換功能之外,我們還有如下幾個方面要考慮。
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。負(fù)載太輕造成資源浪費(fèi),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。
封裝形式: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?yàn)榧嫒菪暂^好,不局限于一兩個供貨廠家;
③ 應(yīng)具有可擴(kuò)展性,便于系統(tǒng)擴(kuò)容和升級。選擇一種封裝,系統(tǒng)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(tǒng)線路板設(shè)計可以不必改動,從而大大簡化了產(chǎn)品升級更新?lián)Q代,節(jié)約時間。
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(shí)際需要的工作溫度范圍,因?yàn)闇囟鹊燃壊煌牧虾椭圃旃に嚥煌瑑r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。可以有兩種選擇方法: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不同而不同,一般50W以上為 3~10W/℃??傊催x擇寬溫度范圍的產(chǎn)品,功率利用更充分,封裝也更小一些,但價格較高;要么選擇一般溫度范圍產(chǎn)品,價格低一些,功率裕量和封裝形式就得大一些。應(yīng)折衷考慮。
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(diǎn)。
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(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。
故障保護(hù)功能:
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(jī)率是很低的。因此延長模塊電源壽命、提高系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)是選擇保護(hù)功能完善的產(chǎn)品,即在模塊電源外部電路出現(xiàn)故障時模塊電源能夠自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而不至于失效,外部故障消失后應(yīng)能自動恢復(fù)正常。模塊電源的保護(hù)功能應(yīng)至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護(hù);輸出過壓、過流、短路保護(hù),大功率產(chǎn)品還應(yīng)有過溫保護(hù)等。
額定功率、封裝形式、故障保護(hù)等多種途徑對DC-DC的選擇進(jìn)行了分析,提供了電壓轉(zhuǎn)換功能之外的更多種選擇,因此我們就能更加快捷并且正確的選擇DC-DC模塊電路,加速設(shè)計時間,節(jié)約成本。
其實(shí)在選擇DC-DC直流模塊電源的時候,我們有很多種選擇,除去基本的電壓轉(zhuǎn)換功能之外,我們還有如下幾個方面要考慮。
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。負(fù)載太輕造成資源浪費(fèi),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。
封裝形式: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?yàn)榧嫒菪暂^好,不局限于一兩個供貨廠家;
③ 應(yīng)具有可擴(kuò)展性,便于系統(tǒng)擴(kuò)容和升級。選擇一種封裝,系統(tǒng)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(tǒng)線路板設(shè)計可以不必改動,從而大大簡化了產(chǎn)品升級更新?lián)Q代,節(jié)約時間。
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(shí)際需要的工作溫度范圍,因?yàn)闇囟鹊燃壊煌牧虾椭圃旃に嚥煌瑑r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。可以有兩種選擇方法: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不同而不同,一般50W以上為 3~10W/℃??傊催x擇寬溫度范圍的產(chǎn)品,功率利用更充分,封裝也更小一些,但價格較高;要么選擇一般溫度范圍產(chǎn)品,價格低一些,功率裕量和封裝形式就得大一些。應(yīng)折衷考慮。
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(diǎn)。
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(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。
故障保護(hù)功能:
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(jī)率是很低的。因此延長模塊電源壽命、提高系統(tǒng)可靠性的重要一環(huán)是選擇保護(hù)功能完善的產(chǎn)品,即在模塊電源外部電路出現(xiàn)故障時模塊電源能夠自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而不至于失效,外部故障消失后應(yīng)能自動恢復(fù)正常。模塊電源的保護(hù)功能應(yīng)至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護(hù);輸出過壓、過流、短路保護(hù),大功率產(chǎn)品還應(yīng)有過溫保護(hù)等。
額定功率、封裝形式、故障保護(hù)等多種途徑對DC-DC的選擇進(jìn)行了分析,提供了電壓轉(zhuǎn)換功能之外的更多種選擇,因此我們就能更加快捷并且正確的選擇DC-DC模塊電路,加速設(shè)計時間,節(jié)約成本。