DC模块电源的选择与应用.doc

DC/DC模块电源的选择与应用DC/DC 模块电源以其体积小巧、性能卓异、使用方便的显着特点，在通信、网络、工控、铁路、军事等领域日益得到广泛的应用。很多系统设计人员已经意识到：正确合理地选用DC/DC模块电源，可以省却电源设计、调试方面的麻烦，将主要精力集中在自己专业的领域，这样不仅可以提高整体系统的可靠性和设计水平，而且更重要的是缩短了整个产品的研发周期，为在激烈的市场竞争中领先致胜赢得了宝贵商机。那么，怎样正确合理地选用DC/DC模块电源呢，笔者将从DC/DC模块电源开发设计的角度，结合近年来鼎立信公司模块电源推广使用过程中得到的用户信息反馈，谈一谈这方面的问题，以供广大系统设计人员参考。 DC/DC模块电源的选择 选择使用DC/DC模块电源除了最基本的电压转换功能外，还有以下几个方面需要考虑： 1 额定功率 一般建议实际使用功率是模块电源额定功率的3080%为宜（具体比例大小还与其它因素有关，后面将会提到。），这个功率范围内模块电源各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。负载太轻造成资源浪费，太重则对温升、可靠性等不利。所有模块电源均有一定的过载能力，例如鼎立信公司产品可达 120150%，但是仍不建议长时间工作在过载条件下，毕竟这是一种短时应急之计。 2封装形式 模块电源的封装形式多种多样，符合国际标准的也有，非标准的也有，就同一公司产品而言，相同功率产品有不同封装，相同封装有不同功率，那么怎么选择封装形式呢？主要有三个方面： 一定功率条件下体积要尽量小，这样才能给系统其它部分更多空间更多功能； 尽量选择符合国际标准封装的产品，因为兼容性较好，不局限于一两个供货厂家； 应具有可扩展性，便于系统扩容和升级。选择一种封装，系统由于功能升级对电源功率的要求提高,电源模块封装依然不变,系统线路板设计可以不必改动,从而大大简化了产品升级更新换代，节约时间。以鼎立信公司大功率模块电源产品为例：全部符合国际标准，为业界广泛采用的半砖、全砖封装，与VICOR、 LAMBDA等著名品牌完全兼容，并且半砖产品功率范围覆盖50200W，全砖产品覆盖100300W。 3温度范围与降额使用 一般厂家的模块电源都有几个温度范围产品可供选用：商品级、工业级、军用级等，在选择模块电源时一定要考虑实际需要的工作温度范围，因为温度等级不同材料和制造工艺不同价格就相差很大，选择不当还会影响使用，因此不得不慎重考虑。可以有两种选择方法：一是根据使用功率和封装形式选择，如果在体积（封装形式）一定的条件下实际使用功率已经接近额定功率，那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际需要甚至略有裕量。二是根据温度范围来选，如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品，但有时也有温度逼近极限的情况，怎么办呢？降额使用。即选择功率或封装更大一些的产品，这样“大马拉小车”，温升要低一些，能够从一定程度上缓解这一矛盾。降额比例随功率等级不同而不同，一般50W以上为 310W/。总之要么选择宽温度范围的产品，功率利用更充分，封装也更小一些，但价格较高；要么选择一般温度范围产品，价格低一些，功率裕量和封装形式就得大一些。应折衷考虑。 4工作频率 一般而言工作频率越高，输出纹波噪声就更小，电源动态响应也更好，但是对元器件特别是磁性材料的要求也越高，成本会有增加，所以国内模块电源产品开关频率多为在300kHz以下，甚至有的只有100kHz左右，这样就难以满足负载变条件下动态响应的要求，因此高要求场合应用要考虑采用高开关频率的产品。另外一方面当模块电源开关频率接近信号工作频率时容易引起差拍振荡，选用时也要考虑到这一点。鼎立信模块电源开关频率最高可达500kHz，具有优良的输出特性。 5隔离电压 一般场合使用对模块电源隔离电压要求不是很高，但是更高的隔离电压可以保证模块电源具有更小的漏电流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前业界普遍的隔离电压水平为1500VDC以上。 6故障保护功能 有关统计数据表明，模块电源在预期有效时间内失效的主要原因是外部故障条件下损坏。而正常使用失效的机率是很低的。因此延长模块电源寿命、提高系统可靠性的重要一环是选择保护功能完善的产品，即在模块电源外部电路出现故障时模块电源能够自动进入保护状态而不至于永久失效，外部故障消失后应能自动恢复正常。模块电源的保护功能应至少包括输入过压、欠压、软启动保护；输出过压、过流、短路保护，大功率产品还应有过温保护等。 7功耗和效率 根据公式，其中Pin、Pout、P耗分别为模块电源输入、输出功率和自身功率损耗。由此可以看出，输出功率一定条件下，模块损耗P耗越小，则效率越高，温升就低，寿命更长。除了满载正常损耗外，还有两个损耗值得注意：空载损耗和短路损耗（输出短路时模块电源损耗），因为这两个损耗越小，表明模块效率越高，特别是短路未能及时采取措施的情况下，可能持续较长时间，短路损耗越小则因此失效的机率也大大减小。当然损耗越小也更符合节能的要求。 模块电源应用注意事项1、极轻载使用 一般模块电源有最小负载限制，各厂家有所不同，普遍为10%左右，因为负载太轻时储能组件续流困难会发生电流不连续，从而导致输出电压不稳定，这是由电源本身的工作原理决定的。但是如果用户的确有轻载甚至空载使用的情况怎么办呢，最方便有效的方法是加一定的假负载，约为输出功率 的2%左右，可以由模块厂商出厂前预置，也可以由用户在模块外安装适当电阻作为负载。值得注意的是如果选择前者，模块效率会有所降低。但是有的电路拓扑却没有最小负载限制，如鼎立信公司的E系列模块电源就可以满足用户从空载到满载的正常使用。. 2、多路输出功率分配 选择多路输出模块电源时要注意不同路输出之间的功率分配。以双路产品为例，一般有两种类型：一种是双路平衡负载的，即双路电流大小一样；另一种是不平衡负载的，即主、辅路负载电流不相同，主路大，辅路小。对于这种产品，建议选择辅路与主路功率之比为1/51/2为宜，在此范围内辅路的电压稳定性才有保证（可在5%以内），否则辅路电压就会偏高或偏低。另一方面如果双路负载本来就不相同也尽量不要选用平衡负载型模块电源，因为此种电源专门针对对称负载设计，若负载不平衡辅路电压精度不高。 3、设法降低模块电源的温升 模块内部器件的工作温度的高低直接影响模块电源的寿命，器件温度越低模块寿命越长。在一定的工作条件下，模块电源的损耗是一定的，但是可以通过改善模块电源的散热条件来降低其温升，从而大大延长其使用寿命。比如：50W以上的模块电源必须安装散热器，散热器的表面积越大越有利于散热，且散热器的安装方向应尽量有利于空气的自然对流，功率在150W以上除安装散热器以外还可以加装扇强制风冷。此外在环境温度较高或空气流通条件较差的地方模块须降额使用以减小功耗从而降低温升，延长使用寿命。 4、合理安装减小机械应力 模块电源的引出方式均为金属针，模块电源与外接线路、金属针与模块电源内路电路均采用焊接方式连接。在一些特殊场合机械振动强度较大，尢其是大功率模块电源上还要加装散热器，这种情况更为严重。虽然模块电源内部一般灌封导热绝缘橡胶可以对组件起到较好的缓冲保护作用，但焊点有可能经受不住强烈振动应力而断裂，导致模块电源工作失效，这时必须在焊接的基础上再采取另外的固定和缓冲措施，比如可以用夹具或螺栓（对于有螺孔模块）将模块与机箱、大线路板等相对抗振性能好的部件固定，并且在它们中间垫一些弹性材料以缓冲振动产生的应力。 总之，模块电源和其它元器件一样只有精心选择、合理应用才能使其性能得到最大发挥，可靠性得到充分保障，模块电源也才会被更广泛地采用设计工程人员面临许多挑战，其中之一就是为不断发展的中等功率（每板100W）桌面、数据通讯及电信系统提供低电压配电架构。最新硅产品的工作电压正逐渐步入1.0V2.5V的范围。在计算机与电信系统中，每个电路板上都必须实现 dc 电源总线隔离，而其中的典型电源解决方案主要由昂贵的多种系列单输出隔离式 DC/DC 电源模块组成。 跨多种应用领域的系统设计人员具有类似的需求以及对倾向于采用 dc/dc 电源模块的要求。最经常提到是对更薄厚度、更小面积、更高效率及更大功率密度 1 等特性的需求。新一代 dc/dc 电源模块应运而生，正开始步入市场以满足上述要求。这些双输出和三输出隔离式模块运行于标准的 -48V 局端电源中，可提供 3W100W 的功率。它们包括输出电压最低达 1.0V 的模块及最高输出电流达 30A 的模块。 尺寸 系统设计人员为在更小空间中实现更高性能的信号处理电路，所面临的竞争挑战日益激烈。先进的 DSP 与 ASIC 有助于提供此功能，但需要更多电压较低的电源轨，并需具备高精度排序与调节。通过减少实施电力系统所需的整体模块数，最新的多输出电源模块满足了这一要求。 多输出电源模块提供了可节省板级空间的独特设计选择。分布式电源架构正逐渐渗透电信与数据通信市场。就需要超过三种不同电压的应用而言，设计人员可使用多输出模块提供电源总线隔离，并可为各种负载点模块供电。这种配置使设计人员不必再担心使用所有单输出模块所需的板级空间。 电气性能 排序 最新的 DSP、ASIC、FPGA 及微处理器需要多个低电压，并可能要求复杂多变的加电断电排序。由于产品上市时间的限制，众多更高级产品（其中电源模块仅是该产品的一个组件）的设计没有时间或板级空间来构建外置排序电路。而且，即便不受时间与板级空间的限制，他们也必须考虑组件成本的增加。比较简单的解决方案就是选择采用可利用新型内部排序多输出电源模块的系统电源架构。 例如，诸如德州仪器 (TI) PT4850 系列的三输出模块的加电特性就能够满足微处理器及 DSP 芯片组的要求。该模块运行于标准的 -48V 输入电压下，其额定组合输出电流可达 25A。输出电压选项包括一个用于 DSP 或 ASIC 内核的低电压输出，以及两个用于I/O和其它功能的额外电源电压。 PT4850提供了最佳的加电顺序，可监视输出电压，并可在短路等错误情况出现时提供所有电压轨道的有序关闭。所有三个输出均在内部进行排序以便同时加电启动。 在加电启动时，Vo1起初升至约0.8V，随后Vo2 与 Vo3 快速增加至与 Vo1 相同的电压数。所有三个输出而后一起增加，直至每个均达到其各自电压为止。该模块一般在 150ms 内产生完全自动调整的输出。在关闭时，由于整流器活动开关的放电效果，所有输出快速下降。放电时间一般为100s，但根据外部负载电容而有所差异。 效率 在低功率应用中，即便最小的 dc/dc 电源模块可能也会有数百毫瓦的静态损失。这解些损失主要由耗费功率的组件造成的，如整流器、交换晶体管及变压器。如果使用一个部件来提供原本需要二至三个独立分组部件所做的工作，那么就可以减少耗费功率的组件总数量。如表1所示，这提高了 9.4% 的效率。 一些最新的多输出模块可在全额定负载电流中以 90% 的效率运行。这样的高效率恰恰是由那些使用 MOSFET 同步整流器的拓扑实现的。该整流器消耗的电量比上一代 dc/dc 电源模块中使用的肖特基二极管耗电要少。 互稳压 最新的多输出电源模块采用先进的电路，消灭了互稳压问题，提高了输出电压的波纹和瞬态相应。根据以前的经验，在模块的任何一个输出上增加输出电流均会导致其它输出上的电压改变。TI 的 PT4850 与 PT4820 系列三输出模块则解决了这一问题。新一代电源模块在隔离阻障的输出端上就每个输出都采用稳压控制电路。通过专有磁耦合设计，控制信号可在模块初级端与二级端之间进行传递。图5显示了输出一 (5mV) 在输出二负载增加情况下的变化。 瞬态与波纹 PT4820 与 PT4850 系列具有出色的瞬态响应和输出电压波纹性能等特点。该模块的三逻辑电压输出是独立调节的，这有助于可与单输出电源模块相媲美的瞬态响应 (200Sec) 和输出电压波纹 (20mV)。 成本 多输出电源组件不再需要两个或更多单输出器件，这就减少了成本。表1显示了电源相同的一个25A三输出模块与三个单输出模块的对比。 在分布式电源应用中，设计人员通过利用单个多输出模块和非隔离式负载点模块（图2）替代了高成本的单输出砖，从而实现了成本节约。也可以实现，由于多输出模块在更少组件情况下也可得以实施，因此进一步节约了成本（和板级空间）。例如，在某些应用中，多输出模块仅要求一个热插拔控制器和输入去耦电容器。相反，这些组件在电源系统中则必须与每个单输出砖结合使用。 产品上市时间是一种间接成本，利用多输出电源模块可减少该成本。这种成本节约主要是由于 OEM 厂商减少了设计、测试和制造等资源。 故障管理 设计人员必须确定其电源系统如何对故障情况进行响应。当今的多输出电源模块结合了先进的故障管理功能。这些功能包括过压、过流和短路保护，有助于防止损坏设计者的电路。 输出过电压保护利用的是可不断检测输出过电压情况的电路系统。当电压超过预设级别 (preset level) 时，电路系统将关闭或箝住电源输出，并使模块进入锁定状态。为了恢复正常操作，一些模块必须主动重启。这可通过立刻消除转换器的输入电源得到实现。为了实现故障自动保护运行和冗余，过电压保护电路系统是独立于模块的内部反馈回路的。 过电流保护可防止负载错误。在某些设计中，一旦来自模块的负载电流达到电流限制阈值，如果负载再尝试吸收更多电流的话，那么就会导致模块稳压输出电压的下降。该模块不会因为持续施于任何输出的负载错误而损坏。 当模块各输出的组合电流超过电流限制阈值时（如任何输出引脚上发生短路），短路保护将关闭模块。该关闭将迫使所有输出的输出电压同时降至零。关闭之后，模块将在固定间隔时间中通过执行软启动加电定期尝试恢复。如果负载故障仍然存在，那么模块将持续经历连续的过电流错误、关闭和重启。 灵活性 电压和电流输出以及封装设计的灵活性是多输出电源模块的一个关键特性。某些制造商可提供24V（18V至36V）与48V（36V至72V）两种输入。其采用完全隔离输出的通用架构可使系统设计人员在双或三输出电路中使用模块，而不会造成过多最低负载要求或互稳压降级的情况。 由于芯片供应商开发器件的操作电压不一定符合以前的迭代法，因此电压和电流输出方面的灵活性正变得日趋重要。众多的多输出模块都以独立调节和可调的输出电压来解决此问题。为了获得独特的电压，某些模块上的输出可从外部电压进行远程编程。此外，诸如Tyco公司的CC025等三输出系列模块还可以通过使用连接到调整引脚 (trim pin) 的外部电阻来允许输出电压设定点调整。 封装灵活性简化了主板设计人员的工作。许多现有的多输出模块都使用业界标准的砖形封装 (brick