大功率电源系统应用设计的可靠性

 电源本身的可靠性固然重要,但是实际上,由于电源系统工作环境的复杂性,再可靠的电源如果没有可靠的系统应用设计,最终电源还是会失效。下面介绍几种常见的电源系统应用设计的方法和注意事项。大功率可调开关电源
    1. 冗余设计技巧
    在可靠性要求高的场合,要求电源模块即使损坏,系统也不能断电。此时,我们可以采取冗余供电的方式来提升系统的可靠性。如下图所示,当一个电源模块损坏时,另外一个模块可以继续供电。图3为其中一种常见的冗余设计方案。
电源模块的应用设计和品质同样重要
    注意事项: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,并注意选取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。
    2. 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。
    3. 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,DC-DC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。
    4. 散热设计
    工业级的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,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:
    (1) 电源模块的对流通风电源模块的应用设计和品质同样重要
    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。
    (2) 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。
    (3) 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如图4,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。
    (4) 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。
    5. 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。

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