大功率電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的可靠性
電源本身的可靠性固然重要，但是實(shí)際上，由于電源系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，再可靠的電源如果沒(méi)有可靠的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，最終電源還是會(huì)失效。下面介紹幾種常見(jiàn)的電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法和注意事項(xiàng)。大功率可調(diào)開(kāi)關(guān)電源。
1. 冗余設(shè)計(jì)技巧
在可靠性要求高的場(chǎng)合，要求電源模塊即使損壞，系統(tǒng)也不能斷電。此時(shí)，我們可以采取冗余供電的方式來(lái)提升系統(tǒng)的可靠性。如下圖所示，當(dāng)一個(gè)電源模塊損壞時(shí)，另外一個(gè)模塊可以繼續(xù)供電。圖3為其中一種常見(jiàn)的冗余設(shè)計(jì)方案。
電源模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)和品質(zhì)同樣重要
注意事項(xiàng)：D1、D2建議使用低壓降的肖特基二極管，以避免二極管的壓降影響后端系統(tǒng)的工作，并注意選取二極管的耐壓值要高于輸出電壓。這種方法會(huì)產(chǎn)生額外的紋波噪聲，需外接電容來(lái)減小紋波或是加濾波電路。
2. 降額設(shè)計(jì)
眾所周知，降額設(shè)計(jì)可以有效提高電源工作壽命，但是負(fù)載過(guò)輕使用，電源的性能又無(wú)法工作在最佳狀態(tài)。 例如，金升陽(yáng)DC_DC模塊電源建議在負(fù)載范圍30%~80%內(nèi)使用，此時(shí)各方面性能表現(xiàn)最佳。
3. 合理外圍防護(hù)設(shè)計(jì)
電源模塊應(yīng)用行業(yè)非常多，應(yīng)用的環(huán)境要求也不近相同，因?yàn)槠渫ㄓ眯栽O(shè)計(jì)，DC-DC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當(dāng)客戶的應(yīng)用環(huán)境要求苛刻時(shí)，需要加適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪?lái)提升電源的可靠性。
以金升陽(yáng)的20W DC-DC鐵路電源URB24XXLD-20WR2為例，單獨(dú)模塊只能通過(guò)EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1S測(cè)試，但因?yàn)轶w積原因沒(méi)有辦法通過(guò)RIA12的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)添加外圍電路（也可以選擇金升陽(yáng)EMC輔助器FC-AX3D），就能通過(guò)RIA12要求的3.5Vin/20mS的等測(cè)試要求。 因而合理的外圍電路設(shè)計(jì)可以使模塊滿足更高等級(jí)的技術(shù)規(guī)格，使之適應(yīng)更惡劣的應(yīng)用環(huán)境，提升電源模塊的可靠性。
4. 散熱設(shè)計(jì)
工業(yè)級(jí)的電源模塊的損壞大約有15%是因?yàn)樯岵涣紝?dǎo)致的，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發(fā)展，但是很多應(yīng)用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續(xù)工作的，如果積熱無(wú)法散出去，電源內(nèi)部的器件可能因?yàn)槌^(guò)熱應(yīng)力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強(qiáng)制性散熱風(fēng)扇等。熱設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)分享如下：
(1) 電源模塊的對(duì)流通風(fēng)電源模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)和品質(zhì)同樣重要
對(duì)于依靠自然對(duì)流和熱輻射來(lái)散熱的電源模塊，周圍環(huán)境一定要便于對(duì)流通風(fēng)，且周圍無(wú)大器件遮擋，便于空氣流通。
(2) 發(fā)熱器件的放置
如果系統(tǒng)中擁有多個(gè)發(fā)熱源例如多個(gè)電源模塊，相互之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，避免相互之間熱輻射傳遞導(dǎo)致電源模塊過(guò)熱。
(3) 合理的PCB板設(shè)計(jì)
PCB板提供了一種散熱途徑，在設(shè)計(jì)時(shí)就要多考慮散熱途徑。例如加大主回路的銅皮面積，降低PCB板上元器件的密度等，改善模塊的散熱面積和散熱通道，例如電源模塊應(yīng)盡量垂直放置如圖4，可以使熱量盡快向上散發(fā)；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發(fā)的熱量會(huì)被PCB阻擋，導(dǎo)致產(chǎn)品積熱無(wú)法散發(fā)出去。
(4) 更大封裝尺寸和散熱面積
同樣功率的電源，如果可能盡量選擇尺寸更大的封裝和散熱面更大的散熱器，或者使用導(dǎo)熱膠將電源模塊外殼與機(jī)殼連接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積，散熱會(huì)更快，內(nèi)部的溫度會(huì)更低，電源的可靠性自然也就越高。
5. 匹配性設(shè)計(jì)、安規(guī)設(shè)計(jì)
電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環(huán)路天線吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線和輸出線需要按照UL60950的安規(guī)要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止布線，特別是信號(hào)線，電源變壓器的電磁線會(huì)對(duì)信號(hào)形成干擾。
另外一個(gè)設(shè)計(jì)師需注意的是，需要關(guān)注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統(tǒng)工作頻率的倍頻錯(cuò)開(kāi)，避開(kāi)相互之間的系統(tǒng)匹配性問(wèn)題。
1. 冗余設(shè)計(jì)技巧
在可靠性要求高的場(chǎng)合，要求電源模塊即使損壞，系統(tǒng)也不能斷電。此時(shí)，我們可以采取冗余供電的方式來(lái)提升系統(tǒng)的可靠性。如下圖所示，當(dāng)一個(gè)電源模塊損壞時(shí)，另外一個(gè)模塊可以繼續(xù)供電。圖3為其中一種常見(jiàn)的冗余設(shè)計(jì)方案。
電源模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)和品質(zhì)同樣重要
注意事項(xiàng)：D1、D2建議使用低壓降的肖特基二極管，以避免二極管的壓降影響后端系統(tǒng)的工作，并注意選取二極管的耐壓值要高于輸出電壓。這種方法會(huì)產(chǎn)生額外的紋波噪聲，需外接電容來(lái)減小紋波或是加濾波電路。
2. 降額設(shè)計(jì)
眾所周知，降額設(shè)計(jì)可以有效提高電源工作壽命，但是負(fù)載過(guò)輕使用，電源的性能又無(wú)法工作在最佳狀態(tài)。 例如，金升陽(yáng)DC_DC模塊電源建議在負(fù)載范圍30%~80%內(nèi)使用，此時(shí)各方面性能表現(xiàn)最佳。
3. 合理外圍防護(hù)設(shè)計(jì)
電源模塊應(yīng)用行業(yè)非常多，應(yīng)用的環(huán)境要求也不近相同，因?yàn)槠渫ㄓ眯栽O(shè)計(jì)，DC-DC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當(dāng)客戶的應(yīng)用環(huán)境要求苛刻時(shí)，需要加適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪?lái)提升電源的可靠性。
以金升陽(yáng)的20W DC-DC鐵路電源URB24XXLD-20WR2為例，單獨(dú)模塊只能通過(guò)EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1S測(cè)試，但因?yàn)轶w積原因沒(méi)有辦法通過(guò)RIA12的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)添加外圍電路（也可以選擇金升陽(yáng)EMC輔助器FC-AX3D），就能通過(guò)RIA12要求的3.5Vin/20mS的等測(cè)試要求。 因而合理的外圍電路設(shè)計(jì)可以使模塊滿足更高等級(jí)的技術(shù)規(guī)格，使之適應(yīng)更惡劣的應(yīng)用環(huán)境，提升電源模塊的可靠性。
4. 散熱設(shè)計(jì)
工業(yè)級(jí)的電源模塊的損壞大約有15%是因?yàn)樯岵涣紝?dǎo)致的，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發(fā)展，但是很多應(yīng)用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續(xù)工作的，如果積熱無(wú)法散出去，電源內(nèi)部的器件可能因?yàn)槌^(guò)熱應(yīng)力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強(qiáng)制性散熱風(fēng)扇等。熱設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)分享如下：
(1) 電源模塊的對(duì)流通風(fēng)電源模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)和品質(zhì)同樣重要
對(duì)于依靠自然對(duì)流和熱輻射來(lái)散熱的電源模塊，周圍環(huán)境一定要便于對(duì)流通風(fēng)，且周圍無(wú)大器件遮擋，便于空氣流通。
(2) 發(fā)熱器件的放置
如果系統(tǒng)中擁有多個(gè)發(fā)熱源例如多個(gè)電源模塊，相互之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，避免相互之間熱輻射傳遞導(dǎo)致電源模塊過(guò)熱。
(3) 合理的PCB板設(shè)計(jì)
PCB板提供了一種散熱途徑，在設(shè)計(jì)時(shí)就要多考慮散熱途徑。例如加大主回路的銅皮面積，降低PCB板上元器件的密度等，改善模塊的散熱面積和散熱通道，例如電源模塊應(yīng)盡量垂直放置如圖4，可以使熱量盡快向上散發(fā)；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發(fā)的熱量會(huì)被PCB阻擋，導(dǎo)致產(chǎn)品積熱無(wú)法散發(fā)出去。
(4) 更大封裝尺寸和散熱面積
同樣功率的電源，如果可能盡量選擇尺寸更大的封裝和散熱面更大的散熱器，或者使用導(dǎo)熱膠將電源模塊外殼與機(jī)殼連接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積，散熱會(huì)更快，內(nèi)部的溫度會(huì)更低，電源的可靠性自然也就越高。
5. 匹配性設(shè)計(jì)、安規(guī)設(shè)計(jì)
電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環(huán)路天線吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線和輸出線需要按照UL60950的安規(guī)要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止布線，特別是信號(hào)線，電源變壓器的電磁線會(huì)對(duì)信號(hào)形成干擾。
另外一個(gè)設(shè)計(jì)師需注意的是，需要關(guān)注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統(tǒng)工作頻率的倍頻錯(cuò)開(kāi)，避開(kāi)相互之間的系統(tǒng)匹配性問(wèn)題。
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