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在进行电源模块选型时,这些问题你一定遇到过!

随着电源模块的出现与发展,嵌入式工程师开始从繁重的电源设计工作中解脱出来,但电源模块的种类也越来越多,我们在日常的电路设计中应该如何考虑选型呢?

目前,电力电子产品被不断开发与应用,这其中都离不开电源的设计,电源设计的优劣,轻则会影响整个电子产品的性能,重则会影响产品能否正常使用。而电源的设计,又有着专业程度高、调试周期长、故障排查难等特点。

在此种情况下,模块电源应运而生,为开发工程师们带来了福音。其中DC/DC电源模块以体积小巧、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、医疗、航空航天等领域得到了广泛的应用。

那么,在型号繁多,参数各不相同,品牌众多的电源模块中,怎样筛选出合适,性价比又高的DC/DC电源模块呢?

一般标准的选型方法,我们基本都比较熟悉,这次主要讲讲在嵌入式系统设计中进行DC/DC电源模块选型时经常遇到的几个问题。

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一、隔离与非隔离

这部分电路到底需不需要隔离?基本是每一个嵌入式系统工程师都会考虑的问题,从隔离的目的来说,可以将隔离分为安全隔离和噪声隔离两大类。

嵌入式系统在硬件设计中,经常会遇到多电压供电、数模混合、高速低速信号同板等复杂的情况,如果处理稍有不慎,就会产生干扰,轻则降低产品性能,重则干扰通信甚至引起系统重启、瘫痪等。

此时隔离型DC/DC电源模块就尤为重要,在嵌入式系统设计中,一般都会使用隔离电源模块对PCB不同区块进行隔离供电,从而最大限度上减少噪声干扰,提高系统的稳定性。

另外,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,因此需要将总线部分与嵌入式系统部分进行安全隔离。

隔离不仅能消除接地环路的干扰,还能阻隔外界恶劣环境因素影响通过总线进入核心系统,保证核心系统的安全。

二、性能与成本

性能和成本在很多种情况下都会面临两难的选择,是为了性能不顾成本,还是为了成本牺牲性能,怎样平衡性能与成本?

对于输入与输出电压相同的DC/DC电源模块来说,输出功率和工作温度是影响其成本的主要因素。

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,由于温度等级不同,对材料和制造工艺的要求不同,电源模块成本就会相差很大。

如果在体积、封装形式一定的条件下,模块实际使用功率已经接近额定功率,那么模块的标称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,出现实际使用温度已经逼近模块极限温度的情况,该怎么办呢?

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问题。

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,功率余量和封装形式就得大一些。到底怎样做选择,需要根据实际使用情况,进行综合考虑。

三、功率余量留多少

余量设计的本质是预防意外,它虽然与品质无关,但余量设计不足,会存在质量问题的隐患,余量设计过大,又会造成成本的升高。

嵌入式系统的负载具有多样性,有的是阻性负载,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、满载、或瞬间负载变大、或瞬间负载跌落的情况发生,这给确定电源模块的功率等级造成一定的难度。

一般情况下,负载电流的大小是决定功率的关键因素,为考虑到嵌入式系统设计的稳定性和抗意外能力,建议根据实际情况,最小预留20%的设计余量。

即在实际使用中最大功率不超过电源模块额定功率的80%,在这个功率范围内电源模块各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠,如果余量太大,会造成资源浪费,如果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,适当加大设计余量,以提高可靠性。

四、隔离电压是否越大越好

并不是越大越好,隔离电压是隔离型DC/DC电源模块的一个重要指标,一般分1000Vdc、1500Vdc、2000Vdc、3000Vdc和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。

隔离电压等级越高,电源模块内部的保护器件和设计工艺要求就越高,成本也就越高,那该怎样选择合适的隔离电压呢?

电源模块的隔离电压,需要根据应用场合来选择。在一般场合使用对电源模块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特性也会更好一些。

由于嵌入式系统核心器件集成度高、封装小、相对比较脆弱,因此在一般应用中,普遍的隔离电压水平为1500Vdc或以上,但在一些特殊的领域,例如医疗、户外通信基站、高压电力等,对电源模块的隔离电压要求则较高。

当下科技高速发展,产品的快速开发已常态化,在紧凑的项目开发周期下,越来越多的嵌入式系统工程师已经认识到,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,更可以缩短了整个产品的研发周期。

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金沙集团1862成色有限公司在电源模块领域有着20余年的研发生产经验,其DC/DC模块电源和AC/DC电源模块产品,被广泛应用于工业、铁路、通信、医疗、航空航天等多个领域,产品质量和稳定性在20余年的时间中,得到了市场的充分验证,技术水平与性能行业领先。

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