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直流模塊電源選擇的七大注意事項(xiàng)
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作者:pmoaf1d4f
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發(fā)布時(shí)間: 2017-04-27
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有一定電源設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的朋友肯定對直流模塊電源并不陌生，甚至能夠熟練地在電路中使用直流模塊電源。但怎樣選用一款合理且方便使用的直流模塊電源呢？本文就將從開發(fā)設(shè)計(jì)的角度來對模塊電源的選擇進(jìn)行分析，幫助電路設(shè)計(jì)人員快速理解，并作為一定得參考。
選擇使用DC/DC模塊電源除了最基本的電壓轉(zhuǎn)換功能外，還有以下幾個(gè)方面需要考慮：
1.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(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)。
2.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(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。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(jì)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(shí)間。以鼎立信公司大功率模塊電源產(chǎn)品為例：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。
3.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、工業(yè)級、軍用級等，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)闇囟鹊燃壊煌牧虾椭圃旃に嚥煌瑑r(jià)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(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。
4.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(shí)容易引起差拍振蕩，選用時(shí)也要考慮到這一點(diǎn)。鼎立信模塊電源開關(guān)頻率最高可達(dá)500kHz，具有優(yōu)良的輸出特性。
5.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。
6.故障保護(hù)功能
有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，模塊電源在預(yù)期有效時(shí)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(shí)模塊電源能夠自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而不至于永久失效，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。
7.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。除了滿載正常損耗外，還有兩個(gè)損耗值得注意：空載損耗和短路損耗（輸出短路時(shí)模塊電源損耗），因?yàn)檫@兩個(gè)損耗越小，表明模塊效率越高，特別是短路未能及時(shí)采取措施的情況下，可能持續(xù)較長時(shí)間，短路損耗越小則因此失效的機(jī)率也大大減小。當(dāng)然損耗越小也更符合節(jié)能的要求。
選擇使用DC/DC模塊電源除了最基本的電壓轉(zhuǎn)換功能外，還有以下幾個(gè)方面需要考慮：
1.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(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)。
2.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(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。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(jì)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(shí)間。以鼎立信公司大功率模塊電源產(chǎn)品為例：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。
3.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、工業(yè)級、軍用級等，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)闇囟鹊燃壊煌牧虾椭圃旃に嚥煌瑑r(jià)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(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。
4.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(shí)容易引起差拍振蕩，選用時(shí)也要考慮到這一點(diǎn)。鼎立信模塊電源開關(guān)頻率最高可達(dá)500kHz，具有優(yōu)良的輸出特性。
5.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。
6.故障保護(hù)功能
有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，模塊電源在預(yù)期有效時(shí)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(shí)模塊電源能夠自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而不至于永久失效，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。
7.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。除了滿載正常損耗外，還有兩個(gè)損耗值得注意：空載損耗和短路損耗（輸出短路時(shí)模塊電源損耗），因?yàn)檫@兩個(gè)損耗越小，表明模塊效率越高，特別是短路未能及時(shí)采取措施的情況下，可能持續(xù)較長時(shí)間，短路損耗越小則因此失效的機(jī)率也大大減小。當(dāng)然損耗越小也更符合節(jié)能的要求。
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