[專業名詞·硬件] 二、DC\DC、LDO電源穩壓基本常識（包含基本原理、高效率模塊設計、常見問題、基於nRF51822電源管理模塊分析等）·長文

 

 

綜述^先看這裏

　　第一節的1.1簡單介紹了DC/DC是什麼；

　　第二節是關於DC/DC的常見的疑問答疑，很是實用；

　　第三節是針對nRF51822這款芯片電源管理部分的DC/DC、LDO、1.8的詳細分析，對於研究51822的人頗有幫助；

　　第四節是對DC/DC的系統性介紹，很是全面；

　　第五節講穩壓電路的，沒太多東西，能夠跳過；

　　第六節講LDO的，包含LDO和DC/DC的選型建議、LDO電容的選擇等，很好；

　　第七八兩節從專業角度給出提升電源效率的建議（目前還用不到）。

 

1、DC/DC轉換器是什麼意思

learn from{ http://www.elecfans.com/baike/bandaoti/bandaotiqijian/20100323203767.html}

1.一、DC/DC概述

　　DC重所周知是直流的意思，DC/DC轉換器就是指直流電之間的轉換設備，在移動電話、筆計本電腦、攝影機等產品中，需將低壓直流電壓變成高壓直流電壓，因而這些場合就須要用到DC/DC轉換器。

　　目前，自偏置同步整流已經廣泛用於5V如下的低壓小功率輸出。自偏置同步整流用法簡單易行，選擇好MOSFET即告成功，此處很少述。 而對於12V以上至20V左右的同步整流則多采用控制驅動IC，這樣能夠收到較好的效果。ST公司的STSR2和STSR3能夠很好地用於反激變換電路及正激變換電路。咱們給出其參考電路。線性技術公司的LTC3900和LTC3901則是去年才推出的更優秀的同步整流控制IC.採用IC驅動的同步整流電路中，應該說最好的仍是業界於2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路，它將DC/DC轉換器的效率帶上了95%這一歷史性臺階。

 

1.二、總結趨勢

　　半導體技術進步是DC/DC技術變化的強大動力。

（1） MOSFET的技術進步給DC/DC模塊技術帶來的巨大變化，同步整流技術的巨大進步。

（2） Schottky技術的進步。

（3） 控制及驅動IC的進步

a. 高壓直接起動

b. 高壓電平位移驅動取代變壓器驅動

c. ZVS，ZCS驅動器貢獻給同步整流最佳效果。

d. 光耦反饋直接接口。

　　　　PWM IC經歷了：電壓型=>電流型=>電壓型的轉換，又經歷了硬開關=>軟開關=>硬開關的否認之否認變化。掌握優秀控制IC是製做優秀DC/DC的前提和關鍵。

（4） 微控制器及DSP進入DC/DC是技術發展的必由之路。

（5） 磁芯技術的突破是下一代DC/DC技術進步的關鍵，也是巨大難題。

 

 

2、DC/DC轉換效率問題

learn from{ http://www.zybang.com/question/52015763cf0c393139f4c7be93a89310.html}

 

2.一、存在的疑問及解答

　　常常能夠看見轉換效率達到98%以上高效電源轉換,我理解是PWM控制器能耗很小,所以轉換效率高.實際上大部分開關電源除了使用PWM控制器外,還使用電感或變壓器,該類器件存在必定內阻,當經過大電流時,能耗也不低,例如當使用50m內阻的電感/變壓器時,若經過電流爲10A,則功耗達到5W,對於5V輸出的電源轉換來講,轉換效率最高只能達到90%;再如幾乎全部的Linear電源轉換PWM控制器的Datasheet中均有一幅轉換效率圖,圖中通常給出90%的高轉換效率,所以存在如下幾個疑問請各位高手解答(如下均指DC/DC): 

 

1 如何理解電源轉換效率，一些基本電路（Buck,Boost,半橋，全橋）的效率通常能夠作到多少？ 

>>1，轉換效率固然是輸出和入的比值，通常的都在80以上，有個別貴芯片有90以上，峯值有些能有95或再高些，但僅僅是特定輸入和輸出條件下才有的峯值效率而已。至於你上面提的，若是有電源線圈須要過10安電流，那設計再蠢也不會讓線圈有50豪歐電阻的，通常控制在10豪歐之內。

 

2 開關電源轉換中是否必須使用電感或變壓器 

>>2必定要有儲能器件，不是電感就是電容

 

3 線性電源的轉換效率是否高於開關電源 

>>3線性的極少狀況效率高於開關的

 

4 開關電源中除電感/變壓器外,有無其它發熱器件,如何避免 

>>4不少器件都發熱，如何避免就深奧了，太多東西了

 

5 在使用電感或變壓器後,如何真正作到98%以上的高轉換效率,即電感/變壓器的內阻是否能作的很小,又不影響使用 

>>5，對，但98是峯值，只是個數值而已

 

6 在電源轉換中,電感/變壓器的內阻是否越小越好

>>6，最好用超導

 

7 非隔離電源的功率最大可作到多少（主要是針對我作大功率電源5KW，想知道是否是必定要使用隔離的）

>>7，和功率不要緊，主要仍是電壓比和效率的問題

 

8 咱們看到的一些變壓器隔離型電路中，降壓電路就是在逆變後加一個隔離變壓器同時輸出下降電壓，而後再整流獲得直流，那請問是否是能夠增長副邊線圈匝數就能夠作升壓電路？

>>8理論是，但須要調整一些參數。

 

 

3、nRF51822上的DC\DC和LDO

3.一、其內部有DC-DC,LDO,經過控制在電路設計中採用不一樣的鏈接能實現來實現不一樣的選擇

參見：nRF51_Reference_manual v1.0.pdf，36頁，11章POWER MANAGEMENT

 

 

 

3.二、其電源管理概述及3種不一樣設計的電路原理圖

參見：nRF51822 PS v1.3 CN 20130903.pdf，17頁，3.3節電源管理（POWER）

 

 

 

參見：nRF51822 PS v1.3 CN 20130903.pdf，56頁，三種不一樣電路圖的設計

 

 

 

 

4、深刻與縱觀DC\DC

come from{http://baike.baidu.com/link?url=_3cJA3z58-nHbAyAWRWl93t0NI5F1If6_Ua-4NP4PjgZzSyYW49L7Yo2l_hUDgzYI040ITE0ma2CcvZERD7ho_}

4.一、概覽DC\DC轉換器·概述

　　DC/DC轉換器爲轉變輸入電壓後有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DC/DC轉換器分爲三類：升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。根據需求可採用三類控制。PWM控制型效率高並具備良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即便長時間使用，尤爲小負載時具備耗電小的優勢。PWM/PFM轉換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉換到PWM控制。目前DC-DC轉換器普遍應用於手機、MP三、數碼相機、便攜式媒體播放器等產品中。在電路類型分類上屬於斬波電路。

 

中文名	DC-DC轉換器
分    類	升壓型、降壓型以及升降壓型
別    稱	開關電源或開關調整器
構    成	二極管，三極管，電容器等

 4.二、概覽DC\DC轉換器·工做原理

 　　DC（Direct Current）表示的是直流電源，諸如干電池或車載電池之類。家庭用的220V電源是交流電源（AC）。若經過一個轉換器能將一個直流電壓（3.0V）轉換成其餘的直流電壓（1.5V或5.0V），咱們稱這個轉換器爲DC-DC轉換器，或稱之爲開關電源或開關調整器。

　　A: DC-DC轉換器通常由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容器構成。在討論DC-DC轉換器的性能時，若是單針對控制芯片，是不能判斷其優劣的。其外圍電路的元器件特性，和基板的佈線方式等，能改變電源電路的性能，所以，應進行綜合判斷。

　　 B: 調製方式

　　　　1: PFM（脈衝頻率調製方式）：開關脈衝寬度必定，經過改變脈衝輸出的時間，使輸出電壓達到穩定。

　　　　2: PWM（脈衝寬度調製方式）：開關脈衝的頻率必定，經過改變脈衝輸出寬度，使輸出電壓達到穩定。

　

4.三、概覽DC\DC轉換器·設計技巧

4.3.一、DC-DC電路設計至少要考慮如下條件：

1.外部輸入電源電壓的範圍，輸出電流的大小。

2.DC-DC輸出的電壓，電流，系統的功率最大值。

 

4.3.二、基於以上兩點選擇PWM IC要考慮：

1.PWM IC的最大輸入電壓。

2.PWM開關的頻率，這一點的選擇關係到系統的效率。對儲能電感，電容的大小的選擇也有必定影響。

3.MOS管的所可以承受的最大額定電流及其額定功率，若是DC-DC IC內部自帶MOS，只須要考慮IC輸出的額定電流。

4.MOS的開關電壓Vgs大小及最大承受電壓。

 

4.3.三、電感(L1)、二極管(CR1)、電容(C2)的選擇：

1.:電感量：大小選擇主要由開關頻率決定，大小會影響電源紋波;額定電流，電感的內阻選擇由系統功耗決定。

2.二極管：一般都用肖特基二極管。選擇時要考濾反向電壓，前向電流，通常狀況反向電壓爲輸入電源電壓的二倍，前向電流爲輸出電流的兩倍。

3.電容：電容的選擇基於開關的頻率，系統紋波的要求及輸出電壓的要求。容量和電容內部的等效電阻決定紋波大小(固然和電感也有關)。

 

4.3.四、接地環路：

　　DC-DC轉換器爲整個系統中的各個電路供電。儘管每一個電路在測試臺上可能表現很好，但系統總體性能卻每每達不到各個電路的性能效果。爲何? 有許多潛在因素，而系統中各個電路的總體接地系統是首要緣由。設計師須要很是清楚每一個電路如何接地，系統中是否存在接地環路。

　　當兩個電路和/或系統之間存在一個以上對地鏈接時就構成了接地環路。重複接地通道至關於造成一個接收接口信號的環形天線 (電流經過接地電阻轉換成電壓)。接收接地環路感應電壓的後果是，隨着感應電壓的疊加形成系統對地基準電壓不穩。這些感應噪聲電壓會成爲整個系統響應的一部分!

　　此外，接地環路造成一條共用線，致使接地電流經一個以上通道回到系統對地端接地極原點。例如，多臺計算機的電源經過公共辦公佈線配置中的接地彼此鏈接在一塊兒，但也能夠經過數據通訊佈線鏈接。所以，計算機彼此之間每每經過一條以上接地通道鏈接。多臺計算機之間存在多條接地通道時，其造成的配置稱爲「接地環路」。每當出現接地環路時，接地基準點會接收疊加信號，造成系統干擾和噪聲。

　　當系統中的某些組件由不一樣的地線，而不是系統中其餘組件供電，或系統中兩個電路之間對地電位不同時，測量、通訊或視頻系統會產生接地環路。一般，對地鏈接的電位差會形成電流流動。這樣會調製電路輸入，正常輸入中出現其餘信號。圖1所示例子中，兩個接地儀器經過信號線接地，以及主地線互連。這種狀況下，線路中1A電流會在兩個儀器接地點之間造成 0.1V電壓差。

 

 

　　因爲儀器之間存在電壓差，互連導線中的信號會將這種壓差加入信號中，形成導線出現電壓「交流聲」。這是音頻信號中聽到60 Hz噪聲 (或視頻信號出現水平干擾) 的一個緣由。另外一個問題是信號線纜地線中流動的電流。這種電流也會傳入線纜和設備。設計師老是注意接地端的接地，卻每每未優化設計，從而消除本底噪聲的靈敏度。所以，正確設計系統內部接地線路時，確保接地環路電流不會形成系統產生問題是最基本的要求。

　　另外一個例子，接地環路是多個音頻-可視系統組件鏈接在一塊兒時的常見問題。音頻系統常見的噪聲每每是接地環路問題形成的。此外，可聞「交流聲」也是典型的接地環路問題 (固然，這取決於所在國家使用的AC電源電壓頻率)。固然，接地環路問題最多見的例子是，系統使用與插座鏈接的儀器，而另外一臺儀器鏈接房間中其餘位置不一樣的接地插座。

　　理想狀況下，一個房間中的每一個系統應鏈接到同一個接地端，信號/天線網絡最終也鏈接到同一接地點。這是理想的，由於系統和每一個儀器的接地是由同一接地基準點對點鏈接 (中央地線星狀鏈接模式)。這種狀況下，必須考慮某些設備 (和系統) 還採用屏蔽線連接。電流從一臺設備經地線流入另外一臺設備，而後經過屏蔽線返回第一臺設備。這個環路也會拾取附近磁場和射頻發射器 (如手機) 的干擾。結果，聽到被放大的不須要的信號。順便指出，接地環路在如下狀況下不會產生問題：1) 環路中的導線不傳送電流，2) 環路未暴露在外部變化的磁場下，3) 附近沒有射頻干擾。若是地線中有電流流動，當存在必定電位差時會產生噪聲干擾。此外，很小的電壓差也會在信號中加入噪聲。這種狀況會形成音頻交流聲、視頻干擾圖像和計算機網絡傳輸偏差。

　　良好的模擬系統設計、模擬系統測試測量須要認真設計系統接地通道，避免出現接地環路。

 

 

5、深刻與縱觀穩壓電路

come from{http://baike.baidu.com/view/854428.htm} 

5.一、概述

　　在輸入電壓、負載、環境溫度、電路參數等發生變化時仍能保持輸出電壓恆定的電路。這種電路能提供穩定的直流電源，廣爲各類電子設備所採用。^{Voltage Stabilizing Circuit}

 

5.二、基本結構

　　調整元件、基準電壓電路、取樣電路、比較放大電路

 

5.三、穩壓電源分類

　　穩壓電源的分類方法繁多，按輸出電源的類型分有直流穩壓電源和交流穩壓電源；按穩壓電路與負載的鏈接方式分有串聯穩壓電源和並聯穩壓電源；按調整管的工做狀態分有線性穩壓電源和開關穩壓電源；按電路類型分有簡單穩壓電源和反饋型穩壓電源，等等。如此繁多的分類方式每每讓初學者摸不着頭腦，不知道從哪裏入手。其實應該說這些看似繁多的分類方法之間有着必定的層次關係，只要理清了這個層次天然能夠分清楚電源的種類了。

 

5.四、直流穩壓器基本原理

　　圖爲典型的直流穩壓器的框圖。交流輸入電壓e1由變壓器Tp變成電壓e2,經整流、濾波：

　　

　　後向調整電路（穩壓電路）輸送一個不穩定的脈動的直流電壓  。因  或穩壓電路輸出電流  的變更而引發輸出電壓  變化時,調整電路使  保持原值或者只有極小的變更。調整電路中的調整管工做在線性放大區的稱爲線性電源，工做在非線性區的則稱爲開關電源。線性電源分爲簡單穩壓電路、並聯穩壓電路、串聯穩壓電路和集成化穩壓電路。

 

 

6、深刻與縱觀LDO

6.一、概述

　　LDO即low dropout regulator，是一種低壓差線性穩壓器，是相對於傳統的線性穩壓器來講的。傳統的線性穩壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2v~3V以上，不然就不能正常工做。可是在一些狀況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5v轉3.3v,輸入與輸出的壓差只有1.7v，顯然是不知足條件的。針對這種狀況，纔有了LDO類的電源轉換芯片。

　　LDO 是一種線性穩壓器，使用在其線性區域內運行的晶體管或 FET，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生通過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 以內所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO（低壓降）穩壓器一般使用功率晶體管（也稱爲傳遞設備）做爲 PNP。這種晶體管容許飽和，因此穩壓器能夠有一個很是低的壓降電壓，一般爲 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 複合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降爲 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 做爲它的傳遞設備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備相似。

　　更新的發展使用 MOS 功率晶體管，它可以提供最低的壓降電壓。使用 功率MOS，經過穩壓器的惟一電壓壓降是電源設備負載電流的 ON 電阻形成的。若是負載較小，這種方式產生的壓降只有幾十毫伏。

　　DC-DC的意思是直流變（到）直流（不一樣直流電源值的轉換），只要符合這個定義均可以叫DC-DC轉換器，包括LDO。可是通常的說法是把直流變（到）直流由開關方式實現的器件叫DC-DC。

　　LDO是低壓降的意思，這有一段說明：低壓降（LDO）線性穩壓器的成本低，噪音低，靜態電流小，這些是它的突出優勢。它須要的外接元件也不多，一般只須要一兩個旁路電容。新的LDO線性穩壓器可達到如下指標：輸出噪聲30μV，PSRR爲60dB，靜態電流6μA（TI的TPS78001達到Iq=0.5uA），電壓降只有100mV(TI量產了號稱0.1mV的LDO)。 LDO線性穩壓器的性能之因此可以達到這個水平，主要緣由在於其中的調整管是用P溝道MOSFET，而普通的線性穩壓器是使用PNP晶體管。P溝道MOSFET是電壓驅動的，不須要電流，因此大大下降了器件自己消耗的電流；另外一方面，採用PNP晶體管的電路中，爲了防止PNP晶體管進入飽和狀態而下降輸出能力， 輸入和輸出之間的電壓降不能夠過低；而P溝道MOSFET上的電壓降大體等於輸出電流與導通電阻的乘積。因爲MOSFET的導通電阻很小，於是它上面的電壓降很是低。

　　若是輸入電壓和輸出電壓很接近，最好是選用LDO穩壓器，可達到很高的效率。因此，在把鋰離子電池電壓轉換爲3V輸出電壓的應用中大多選用LDO穩壓器。雖然說電池的能量最後有百分之十是沒有使用，LDO穩壓器仍然可以保證電池的工做時間較長，同時噪音較低。若是輸入電壓和輸出電壓不是很接近，就要考慮用開關型的DCDC了，由於從上面的原理能夠知道，LDO的輸入電流基本上是等於輸出電流的，若是壓降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。DC-DC轉換器包括升壓、降壓、升/降壓和反相等電路。DC-DC轉換器的優勢是效率高、能夠輸出大電流、靜態電流小。隨着集成度的提升，許多新型DC-DC轉換器僅須要幾隻外接電感器和濾波電容器。可是，這類電源控制器的輸出脈動和開關噪音較大、成本相對較高。

　　近幾年來，隨著半導體技術的發展，表面貼裝的電感器、電容器、以及高集成度的電源控制芯片的成本不斷下降，體積愈來愈小。因爲出現了導通電阻很小的MOSFET能夠輸出很大功率，於是不須要外部的大功率FET。例如對於3V的輸入電壓，利用芯片上的NFET能夠獲得5V/2A的輸出。其次，對於中小功率的應用，可使用成本低小型封裝。另外，若是開關頻率提升到1MHz，還可以下降成本、可使用尺寸較小的電感器和電容器。有些新器件還增長許多新功能，如軟啓動、限流、PFM或者PWM方式選擇等。

　　總的來講，升壓是必定要選DCDC的，降壓，是選擇DCDC仍是LDO，要在成本，效率，噪聲和性能上比較。

 

6.二、四大要素

　　壓差Dropout、噪音Noise、電源抑制比（PSRR）、靜態電流Iq，這是LDO的四大關鍵數據。產品設計師按產品負載對電性能的要求結合四大要素來選擇LDO。在手機上用的LDO要求儘量小的噪音（紋波），在沒有RF的便攜式產品需求靜態電流小的LDO。

 

6.三、工做條件

　　Vin >= Vdrop + Vout。

　　且通常須要兩個外接電容：Cin、Cout，通常採用鉭電容或MLCC。

　　注意：LDO是穩壓器。

 

6.四、應用

　　LDO的應用很是簡單，不少LDO僅需在輸入端及輸出端各接一顆電容便可穩定工做。在LDO的應用中須要考慮壓差、靜態電流、PSRR等重要參數。在以電池做爲電源的系統中，應當選擇壓差儘可能低的LDO，這樣可使電池更長時間爲系統供電，好比NCP600，NCP629等等。

　　靜態電流Iq是Iquiescent的縮寫，指芯片自身所消耗的電流。在一些低功耗應用中，應當儘可能選擇Iq小的LDO。一些工程師在設計低功耗系統時，僅考慮MCU自己消耗的電流，而忽略電源芯片上所消耗的電流，使整個系統的待機功耗不能達標，曾經見過有的工程師在低功耗系統中選用78L05爲MCU提供電源，查閱數據手冊能夠得知78L05靜態電流爲1mA，不適合低功耗應用，應該選擇NCP583等等。

　　在射頻、音頻、ADC轉換等應用系統中，PSRR（電源紋波抑制比）是一個很重要的參數，其體現了LDO的抗噪能力，PSRR值越高LDO輸出紋波越低。

 

電壓輸出級別	應用領域
1.25V	ARM9，FPGA、DSP等
1.8V	SDRAM，DDR RAM等
2.5V	MCU，DDR RAM等
3.0V	MCU，Nor Flash，Nand Flash，其餘各類接口器件等

 

特性	應用方向
超低紋波，高精度	數據採集
低壓差	電池供電
低靜態電流	低功耗場合，如手持儀表
電壓監控	嵌入系統電源管理
復位控制	工業控制
多通道輸出	須要多路供電的嵌入式系統

 

 

7、如何解決電源管理芯片效率不高的問題？

come from{http://www.elecfans.com/dianyuan/400659.html} 

[導讀] DC-DC控制IC在各電子產品中應用普遍，爲了統一物料，工程師每每會用本身熟悉且能輸出較大電流的DC-DC芯片，無論負載大小均用一個型號一統江湖。由此可能在小負載電流時，效率不盡如人意，該怎麼解決？

7.一、從效率方面考慮LDO和DC-DC轉換器的選擇

　　LDO：輸入電壓和輸出電壓差異不大，並且電流較小時，能夠選擇LDO芯片；由LDO的功率損耗由公式能夠看出，當輸入輸出的壓差較大，或者輸出電流較大時，那麼損失的功耗就很高，發熱比較嚴重，在不少設計上不能使用，可是若是是低壓差，小電流時LDO就很適合，並且價錢也相對低廉。

　　DC-DC轉換器：輸入、輸出電壓差值較大且輸出大電流時，就必定要選擇DC-DC芯片。DC-DC的功率損耗與芯片內部工藝設計相關，在不一樣的使用狀況時效率也不一樣，若是選用的合理，效率能夠達到90%以上，功率損耗能夠作到很低，適應於各類場合，能夠知足設計者的需求。

 

7.二、常規降壓DC-DC的選擇

　　老方案：前些年，大部分使用的DC-DC芯片因爲工藝問題，效率都偏低；如，36V輸入5V/3A輸出的應用，大部分工程師使用的都是尾綴爲2576的產品，典型效率曲線如圖1所示：效率曲線從圖1上能夠看出，在5V輸出時，輸出電流不管是200mA仍是3A時，效率均在80%如下，已難以知足愈來愈苛刻的能耗要求。並且因爲功率損耗很大，所以封裝大部分爲TO-220或者DDPARK，體積很大，會佔用很大面積的PCB。

　　新方案：以MPS爲表明的新工藝DC-DC型號MP4423，輸入電壓40V，在5V輸出時，效率能夠達到90%以上，可知足絕大多數場合的應用。

 

7.三、模塊式DC-DC的選擇

　　除用芯片本身搭DC-DC方案外，若是受限於體積或項目進度時間，另外一類模塊式的DC-DC是比較合適的選擇，如ZLG推出的ZY78xxS系列，引腳跟傳統的7805兼容，體積小巧，效率廣泛都在90%以上，可大大下降設計的複雜度。

 

 

8、不可忽視的電源模塊的應用設計和品質！ 

come from{http://www.elecfans.com/dianyuan/398449_a.html} 

[導讀] DC-DC模塊電源愈來愈多地應用於通訊、工業自動化、電力控制、軌道交通、礦業、軍工等行業。模塊化的設計能夠有效簡化客戶的電路設計，提高系統的可靠性和維護效率。那麼，如何提高基於DC-DC模塊的電源系統的可靠性？本文就這個主題做簡要分析與探討。

8.一、爲何須要DC-DC模塊電源？

　　DC-DC隔離模塊電源主要應用於分佈式電源系統中，用以對電源系統實現隔離下降噪聲、電壓轉換、穩壓和保護功能。使用DC-DC隔離模塊電源的做用以下：

　　第一，模塊電源採用隔離式設計，能夠有效隔離來自一次側設備帶來的共模干擾對系統的影響，使負載可以穩定工做。

　　 第二，不一樣的負載須要不一樣的供電電壓，例如控制IC須要5V、3.3V、1.8V等；信號採集用的運放則須要±15V；繼電器則須要12V、24V；而母線電壓多爲24V，所以須要進行電壓轉換。

　　 第三，母線電壓在長距離傳輸過程當中會存在線損，故到PCB板級時電壓較低，而負載須要穩定的電壓，所以須要寬壓輸入，穩壓輸出。

　　 第四，電源須要在異常狀況下，保護系統的負載和自己不壞。

 

8.二、如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源

8.2.一、採用成熟的電源拓撲：

　　電源模塊的設計儘可能選用成熟的電源拓撲。例如1W～2W的定壓輸入DC-DC電源模塊選擇Royer電路，而寬壓輸入系列則多選Flyback拓撲，部分選Forward拓撲。

8.2.二、全負載範圍內高效率：

　　高效率意味着更低的功率損失和更低的溫升，能夠有效提升可靠性。在實際應用中，電源都會選擇必定程度的降額設計，特別是在負載IC的功耗愈來愈低的今天，電源大部分時候都有可能在輕載狀況下工做。所以，全負載範圍內高效率對於電源系統可靠性來講是很是關鍵的參數，但每每被電源廠商忽略。大部分廠商爲了技術手冊上的參數吸引客戶，每每將滿載效率作到較高，但在5%～50%的負載狀況下效率較低。

　　以金昇陽的15W DC-DC模塊電源VRB2412LD-15WR2爲例，VRB2412LD-15WR2在額定電壓24V輸入時輕載10%的效率比主流同行水平高出15%，如圖1和圖2所示：

8.2.三、極限溫度特性：

　　電源模塊應用的地理區域很是寬廣，可能有熱帶的酷暑，也有相似俄羅斯冬天的嚴寒。所以要求DC-DC模塊的工做溫度範圍最低要求爲-40℃～85℃，也有作到更好的，例如金昇陽的定壓R2代1W～2W工做溫度可作到-40℃～105℃。若是在汽車BMS、高壓母線監測應用，則須要工做溫度爲 -40℃～125℃，金昇陽的CF0505XT-1WR2工做溫度可作到125℃。

　　極限溫度試驗是最能檢驗電源模塊可靠性的方法，例如高溫老化、高溫&低溫帶電工做性能測試、高低溫循環衝擊試驗和長時間高溫高溼測試等。正規的電源開發都會通過以上測試。所以，是否有此類測試設備也成爲了判斷電源廠商是否爲山寨廠商的依據。

8.2.四、高隔離、低隔離電容：

　　醫療產品要求極低的漏電流，電力電子產品須要原邊和次級之間儘可能少寄生電容。這兩個行業有一個共性的需求，即要求儘可能高的隔離耐壓和儘可能低的隔離電容，用以下降共模干擾對系統的影響。若是在醫療或電力電子領域應用，1W～2W DC-DC建議選取隔離電容低於10pF的電源模塊，寬壓產品則儘可能選取低於150pF的電源模塊。

8.2.五、EMC特性：

　　EMC性能是電子系統正常、安全工做的保證，目前電子行業對產品的EMC性能都提出了很高的要求，客戶常常抱怨因EMC處理很差致使系統的復位重啓甚至是早期失效，所以優良的EMC特性是電源模塊核心競爭力。

8.2.六、電源系統應用設計的可靠性：

　　電源自己的可靠性當然重要，可是實際上，因爲電源系統工做環境的複雜性，再可靠的電源若是沒有可靠的系統應用設計，最終電源仍是會失效。下面介紹幾種常見的電源系統應用設計的方法和注意事項。

8.2.6.一、冗餘設計技巧：

　　在可靠性要求高的場合，要求電源模塊即便損壞，系統也不能斷電。此時，能夠採起冗餘供電的方式來提高系統的可靠性。圖3爲其中一種常見的冗餘設計方案。當一個電源模塊損壞時，另一個模塊能夠繼續供電。

　　圖中D一、D2建議使用低壓降的肖特基二極管，以免二極管的壓降影響後端系統的工做，另外，二極管的耐壓值要高於輸出電壓。這種方法會產生額外的紋波噪聲，需外接電容來減少紋波或是加濾波電路。

8.2.6.二、降額設計:

　　衆所周知，降額設計能夠有效提升電源工做壽命，可是負載太輕使用，電源的性能又沒法工做在最佳狀態。例如，金昇陽DC-DC模塊電源建議在負載範圍30%～80%內使用，此時各方面性能表現最佳。

8.2.6.三、合理外圍防禦設計:

　　電源模塊應用行業很是多，應用的環境要求也不近相同，由於其通用性設計，DCDC模塊電源僅能知足通用共性需求。所以當客戶的應用環境要求苛刻時，須要加適當的外圍電路來提高電源的可靠性。以金昇陽的20W DC-DC鐵路電源URB24XXLD-20WR2爲例，單獨模塊只能經過EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1s測試，但由於體積緣由沒有辦法經過RIA12的標準，經過添加外圍電路（也能夠選擇金昇陽EMC輔助器FC-AX3D），就能經過RIA12要求的3.5Vin/20ms的等測試要求。於是合理的外圍電路設計可使模塊知足更高等級的技術規格，使之適應更惡劣的應用環境，提高電源模塊的可靠性。

8.2.6.四、散熱設計

　　工業級電源模塊的損壞大約有15%是由於散熱不良致使的，電源模塊是朝着小型化和集成化方向發展的，可是不少應用場合電源是處於密閉的環境中連續工做的，若是積熱沒法散出去，電源內部的器件可能由於超過熱應力而損壞。一般的散熱方式有天然風冷、散熱片散熱和增強制性散熱風扇等。熱設計的幾點經驗分享以下：

電源模塊的對流通風：對於依靠天然對流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環境必定要便於對流通風，且周圍無大器件遮擋，便於空氣流通。

發熱器件的放置：若是系統中擁有多個發熱源例如多個電源模塊，相互之間應儘可能遠離，避免相互之間熱輻射傳遞致使電源模塊過熱。

合理的PCB板設計：PCB板提供了一種散熱途徑，在設計時就要多考慮散熱途徑。例如加大主迴路的銅皮面積，下降PCB板上元器件的密度等，改善模塊的散熱面積和散熱通道，例如電源模塊應儘可能垂直放置，可使熱量儘快向上散發；若是將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發的熱量會被PCB阻擋，致使產品積熱沒法散發出去。

更大封裝尺寸和散熱面積：一樣功率的電源，若是可能儘可能選擇尺寸更大的封裝和散熱面更大的散熱器，或者使用導熱膠將電源模塊外殼與機殼鏈接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積，散熱會更快，內部的溫度會更低，電源的可靠性天然也就越高。

匹配性設計、安規設計：電源的輸入走線儘可能保持直線，避免造成環路天線吸引外界輻射干擾。同時輸入線和輸出線須要按照UL60950的安規要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止佈線，特別是信號線、電源變壓器的電磁線會對信號造成干擾。

另一個設計師需注意的是，須要關注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統工做頻率的倍頻錯開，避開相互之間的系統匹配性問題。

 

 

 

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