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关于模块电源的选型-爱浦电子模块电源

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2018年4月25日 10:00
        电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,其特点是可为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说,这类模块称为负载点 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点甚多,已经慢慢将嵌入式工程师从繁重的电源设计中释放解脱出来。其广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。但我们如何在这些设计中考虑选型的一些问题呢?
 
        市场竞争非常激烈,各个公司的产品层出不穷,因此产品的快速设计与开发就变成了迅速占领商机的先决条件。目前客户所要求的项目周期和生产周期越来越短的普遍条件下,模块化开发,平台化开发,方案引用式开发模式已经被越来越多的系统设计人员和硬件工程师接受使用。
 
        电子产品的开发都离不开电源端的设计,一个电源端的设计的好坏直接影响到产品的寿命周期,轻则影响整个产品的性能,重则则影响到整个项目的成败。而电源设计,又以其专业程度高,调试周期长,故障排查难等特点,让工程师们非常头疼的一件事情,因此,工程师们迫切的需要解决这一大难题,最后模块电源应运而生,给电源工程师们带来了解决问题的重磅福音。其中DC/DC电源模块又以其体积小巧、性能优异、使用方便、综合成本低等显著特点,在通信、网络、工控、铁路等领域得到广泛的应用。
 
        然后再次趋势下。不同公司出品的型号繁多,参数不同电源模块中,怎么样去选择合适,性价比有高的DC/DC电源模块又成了一大难题。一般标准的选型方法大家都是比较熟悉,然而这次我需要介绍的是嵌入式系统设计时DC/DC电源模块选型时比较容易纠结的几个问题。
 
一、“隔离” or“非隔离”?
        基本上每一个嵌入式工程师都会考虑“这部分的电路需不需要隔离呢?”因为从隔离的目的来讲。可以将隔离分为安全隔离和噪声隔离两大类。嵌入式系统的应用非常广泛,因此在硬件设计中,经常回遇到多电压供电,数模混合,高速低速信号同板等复杂的情况,稍微处理不慎,就可能给电路带来一定的干扰,然后就造成产品的性能,甚至可能由于通信的干扰引起系统重启,瘫痪等问题,此时,隔离就属于电路中一个必不可少的环节。在嵌入式系统的设计中,一般都会选择使用隔离电源模块对PCB不同区块进行隔离供电,从最大限度上减少噪声干扰,提高系统稳定性。 
 
        此外。在含有工业总线的嵌入式系统中常常会面临浪涌、电弧干扰、雷击等恶劣环境,影响到整个电路的性能,因此就需要对总线部分和嵌入式系统部分进行隔离。不仅能够消除接地环路的干扰,还能隔外界恶劣环境因素影响通过总线进入核心系统,保证核心系统安全的作用。
 
二、“性能” VS “成本”?
        “性能”和“成本”是每个工程师必须要考虑到的问题,当工程师们没日没夜的研究出来一个良好的方案的时候,最后却被告知,成本太高支撑不了这个项目,而面临不得不放弃这个项目。这种情况相信不是一个工程师遇到这个问题了吧,是为了成本而牺牲一定的性能?显而易见这是不太合适的。那么怎样做到性能和成本的良性结合成为一个经久不衰的问题
对于同规格的输入输出DC/DC电源模块,输出功率和工作温度范围是定义一个电源模块的主要因素。电子器件工作温度范围一般分为:商业级(0~70℃)、工业级(-40~85℃)、车规级(-40~105℃)、军品级(-55~125℃)等。其材料和制造工艺不同,也就影响了其造价成本了。
 
        对于同种封装形式下,实际使用功率已经接近模块额定功率,那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际使用需求甚至略有余量。如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品,实际使用温度已经逼近模块极限温度的情况,怎么办呢?这时可以采用降额使用的办法,即选择功率或封装更大一些的产品,这样“大马拉小车”,温升低,能够从一定程度上缓解这一矛盾。
 
所以要么选择宽温度范围产品,功率利用率更充分,封装就小一些,但其价格也就更高一些;要买就选择价格低廉。一般温度范围内的产品,功率余量和封装形式也会大一些。具体情况就具体选择了。
 
三、功率余量留多少?
        设计余量的本事是为了预防意外,虽然它和品质没有太大关系,但是如果由于余量不足而引起的质量问题就有点得不偿失了,但当余量设计过大时,其成本又会增加,这又是项目中及其不愿意见到的一点。因此设计余量这点成为不可忽略的一项设计。
 
        嵌入式系统应用的广泛性,使得负载也具有多样性。是阻性负载,有的是感性或容性负载,有的负载较稳定,有的负载波动较大,有的甚至还会有空载、或满载、或瞬间负载变大、或瞬间负载跌落的情况发生,使得工程师们在选择电源一般情况下,决定功率的关键因素是负载电流的大小,考虑到嵌入式系统的稳定性和抗意外能力,根据实际情况应该至少预留20%的余量,实际使用中最大功率不会超过电源模块额定功率的80%,在此范围内,电源模块的性能能够得到充分稳定的使用。余量设计过大是会造成成本的增加,余量太小则不利于温升和可靠性。
 
        对于波动较大的负载,设计应当满足峰值电流不超过电源模块最大承受范围的基本原则,再根据负载波动的频率,适当的加大设计余量的方法,尽量提高可靠性。
 
四、隔离电压越大越好?对此说“NO”
        隔离电压是隔离型DC/DC电源模块的一个重要指标,一般1000VDC、1500VDC、2000VDC、3000VDC、6000VDC等规格,是指在一定时间内(通常是1秒)电源模块所能承受的、施加在输入端和输出端之间的最高电压。隔离 越高,其工艺要求也就越高,成本也会增加,因此如何选择合适的隔离电压也是一个优秀的嵌入式工程师必备技能了。
 
        隔离电压的选择,一般都根据应用的要求确定。一般情况下的电源模块隔离电压要求不高,但是更高隔离电压模块能够保证模块电源具有更小的漏电流,更高的可靠性和安全性,且EMC特性也会更好。嵌入式系统中核心器件集成度高,封装小,相对比较脆弱,因此一般的应用隔离电压水准为1500VDC,很多电力的数据采集应用,要求隔离电压至少3000VDC,甚至4000VDC,医疗行业的应用,一般都要4000VDC或6000VDC。一般低压数字信号隔离,I/O隔离,500VDC就足够了。
 
        在科技高速发展的当下,产品快速开发已经成为常态化,嵌入式系统强大的处理能力,弱化了硬件设计,将大量的工作交给了软件。标准化的硬件平台,标准的接口,丰富的驱动,使产品快速成型推向市场成为可能。在越来越紧凑的项目周期下,越来越多的嵌入式系统设计工程师已经强烈的认识到:正确合理地选用DC/DC电源模块,不但可以省去电源设计、调试方面的麻烦,而且可以提高整体系统的可靠性和设计水平,更重要的是,缩短了整个产品的研发周期。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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