技术探讨：如何提升DC/DC电源模块应用可靠性？
品慧电子讯DC-DC模块电源越来越多地应用于通信、工业自动化、电力控制、轨道交通、矿业、军工等行业。模块化的设计可以有效简化客户的电路设计，提升系统的可靠性和维护效率。那么，如何提升基于DC-DC模块的电源系统的可靠性？本文就这个主题作简要分析与探讨。为什么需要DC-DC模块电源？DC-DC隔离模块电源主要应用于分布式电源系统中，用以对电源系统实现隔离降低噪声、电压转换、稳压和保护功能。使用DC-DC隔离模块电源的作用如下：第一，模块电源采用隔离式设计，可以有效隔离来自一次侧设备带来的共模干扰对系统的影响，使负载能够稳定工作。第二，不同的负载需要不同的供电电压，例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信号采集用的运放则需要±15V；继电器则需要12V、24V；而母线电压多为24V，因此需要进行电压转换。第三，母线电压在长距离传输过程中会存在线损，故到PCB板级时电压较低，而负载需要稳定的电压，因此需要宽压输入，稳压输出。第四，电源需要在异常情况下，保护系统的负载和本身不坏。如何选择高可靠性的DC-DC模块电源采用成熟的电源拓扑电源模块的设计尽量选用成熟的电源拓扑。例如1W～2W的定压输入DC-DC电源模块选择Royer电路，而宽压输入系列则多选Flyback拓扑，部分选Forward拓扑。全负载范围内高效率高效率意味着更低的功率损失和更低的温升，可以有效提高可靠性。在实际应用中，电源都会选择一定程度的降额设计，特别是在负载IC的功耗越来越低的今天，电源大部分时候都有可能在轻载情况下工作。因此，全负载范围内高效率对于电源系统可靠性来说是非常关键的参数，但往往被电源厂商忽略。大部分厂商为了技术手册上的参数吸引客户，往往将满载效率做到较高，但在5%～50%的负载情况下效率较低。以金升阳的15W DC-DC模块电源VRB2412LD-15WR2为例，VRB2412LD-15WR2在额定电压24V输入时轻载10%的效率比主流同行水平高出15%，如图1和图2所示。
图1：某主流品牌电源效率曲线图。
图2：金升阳VRB2412LD-15WR2效率曲线图。通过效率的提升也可以有效降低产品的外壳温升，VRB2412LD-15WR2在实际负载工作时的温升要低13.8℃。12下一页> - 第一页：如何提升DC/DC电源模块应用可靠性？（1）
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图3：冗余供电方案。图中D1、D2建议使用低压降的肖特基二极管，以避免二极管的压降影响后端系统的工作，另外，二极管的耐压值要高于输出电压。这种方法会产生额外的纹波噪声，需外接电容来减小纹波或是加滤波电路。降额设计众所周知，降额设计可以有效提高电源工作寿命，但是负载过轻使用，电源的性能又无法工作在最佳状态。例如，金升阳DC-DC模块电源建议在负载范围30%～80%内使用，此时各方面性能表现最佳。合理外围防护设计电源模块应用行业非常多，应用的环境要求也不近相同，因为其通用性设计，DCDC模块电源仅能满足通用共性需求。因此当客户的应用环境要求苛刻时，需要加适当的外围电路来提升电源的可靠性。以金升阳的20W DC-DC铁路电源URB24XXLD-20WR2为例，单独模块只能通过EN50155 1.4倍输入电压Vin的1s测试，但因为体积原因没有办法通过RIA12的标准，通过添加外围电路(也可以选择金升阳EMC辅助器FC-AX3D)，就能通过RIA12要求的3.5Vin/20ms的等测试要求。因而合理的外围电路设计可以使模块满足更高等级的技术规格，使之适应更恶劣的应用环境，提升电源模块的可靠性。散热设计工业级电源模块的损坏大约有15%是因为散热不良导致的，电源模块是朝着小型化和集成化方向发展的，但是很多应用场合电源是处于密闭的环境中连续工作的，如果积热无法散出去，电源内部的器件可能因为超过热应力而损坏。通常的散热方式有自然风冷、散热片散热和加强制性散热风扇等。热设计的几点经验分享如下：电源模块的对流通风。对于依靠自然对流和热辐射来散热的电源模块，周围环境一定要便于对流通风，且周围无大器件遮挡，便于空气流通。发热器件的放置。如果系统中拥有多个发热源例如多个电源模块，相互之间应尽量远离，避免相互之间热辐射传递导致电源模块过热。合理的PCB板设计。PCB板提供了一种散热途径，在设计时就要多考虑散热途径。例如加大主回路的铜皮面积，降低PCB板上元器件的密度等，改善模块的散热面积和散热通道，例如电源模块应尽量垂直放置，可以使热量尽快向上散发；如果将DC-DC模块放在PCB的底部，则向上散发的热量会被PCB阻挡，导致产品积热无法散发出去。更大封装尺寸和散热面积。同样功率的电源，如果可能尽量选择尺寸更大的封装和散热面更大的散热器，或者使用导热胶将电源模块外壳与机壳连接。这样电源模块拥有更大的散热面积，散热会更快，内部的温度会更低，电源的可靠性自然也就越高。匹配性设计、安规设计。电源的输入走线尽量保持直线，避免形成环路天线吸引外界辐射干扰。同时输入线和输出线需要按照UL60950的安规要求保持合适的间距，避免耐压失效。再者，电源底板下禁止布线，特别是信号线、电源变压器的电磁线会对信号形成干扰。另外一个设计师需注意的是，需要关注一次电源和二次电源之间，以及电源与系统工作频率的倍频错开，避开相互之间的系统匹配性问题。<上一页12
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