用高密度DC/DC模塊設計電源系統應注意的幾個問題

2019-11-03 09:55:49

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　電源系統設計人員正承受巨大的壓力，面臨要降低成本，縮短產品上市時間，提高電源系統的通用性和可靠性等一系列問題，而且常常缺乏有效的資源，正是由于這些問題，使得組件式電源系統成為眾多市場和應用領域的首選，因此DC/DC模塊成為電源系統中的核心組件。VICOR作為專業的電源模塊設計，生產制造公司，已經推出了一系列的高密度電源模塊，如：AC/DC，DC/DC等(如圖1)，它采用零電流開關技術提高了電源的效率，降低了噪聲，方便了使用，讓設計人員以合理的成本獲得前所未有的功率密度性能。

　　采用電源模塊設計的電源系統在設計上通常比分立元件更簡單，更快速。然而，許多設計問題仍有待解決，某些問題(如熱處理和噪聲管理)與傳統設計是類似的，而其他問題則是組件式電源設計特有的。

　　熱處理對任何系統都是一大難題。當然，某些對策可使問題處理簡單化。一種分布式方案(不是集中結構)將熱量分散在整個系統，降低了散熱器和高速氣流的要求。倘若整個系統的溫度十分均勻，可靠性指標是不難滿足的。當然，如果系統未提供空氣對流，或環境溫度較高，散熱器是必需的。風扇提供的氣流能簡化電源的設計，但冷卻風扇會增加噪聲，降低了可靠性，除非采取相應的措施。

　　對工作于高達50℃環境溫度的對流冷卻整流器，可用直接計算來確定散熱器尺寸。散熱器最壞情況耗散的功率由下式給出：

　　Pdiss=Po×(1-η)/η （1）

　　Pdiss是耗散功率，Po是輸出功率，η是效率。在全功率工作下，工作效率90%的600W變換器需耗散67W。然后，可計算散熱器至空氣的熱阻(qsa）：

　　qsa =[(Tbase-Tambient)/Pdiss]-qbs (2)其中Tbase 是基板溫度，Tambient是最壞情況的環境溫度；qbs 是表面界面的熱阻(對導熱襯墊或導熱膏，約為0.1℃/W),Pdiss是最壞情況下的功率耗損。假設基板最高工作溫度為100℃，環境溫度為50℃，則

　　qsa =[(100-50)/67]-0.1=0.64℃/W

　　散熱器生產廠提供各種曲線圖表，根據熱阻來確定所需的散熱器表面面積。典型地，對0.64℃/W熱阻值，約需100in2的散熱器。

　　如果嫌該尺寸過大，可考慮將變換器附著在機箱壁一類冷卻板上。另一個方法是，強制通風冷卻可使用較小的散熱器。在上述例子中，1，000ft/min 對流能將散熱器面積減少至10in2。

　　電磁干擾是開關電源和電源系統設計人員面臨的主要設計問題。必須考慮各種噪聲：傳導、輻射、共模和差模噪聲。盡管本文不可能涉及這個復雜課題的各個方面，但將討論某些主要方面。例如，任何設計需要良好的電氣和機械設計與布局(合適的銅線寬度，盡量縮短導線強度及去耦以便減少噪聲）。

　　共模噪聲是要解決的最重要系統噪聲問題。在DC-DC變換器中，共模噪聲是初級與次級間流通的電流引起的。它是主開關器件和輸入—輸出耦合電容上電壓瞬變過程的函數。采用零電流或零電壓開關結構能極大地減少主開關瞬變電流。ViCOR第二代模塊中新型磁芯采用電鍍空腔型鐵芯，其初級繞組和次級撓組距離較遠，耦合較松，具有極低的輸入—輸出寄生電容，因而具有極低的共模噪聲。

　　有時也需要附加濾波器來滿足傳導噪聲的規范要求，如FCC法規，Part 15和EN55022(國際）。采用固有的低噪聲部件使該項任務簡單化。使用扼制共模和差模的簡單濾波器和Y型電容，第二代變換器極易滿足這些規范的要求。

　　輻射(EMI)是系統噪聲的又一種來源。對常規的開關電源，由于大電流在極短時間內不斷接通又斷開，極易產生這一類噪聲。噪聲源周圍的屏蔽是常用的解決方案。帶六邊內屏蔽的模塊可進一步減少輻射噪聲。

　　電源結構常常用多個電源或多個電源變換器來增加輸出功率，或提供故障容錯度。故障容錯系統應采用或門二極管結構，以便在輸出故障條件下將模塊隔離。當用電源并聯來增加電源和/或N+1冗余度時，被電流分擔特性仍是較可取的。

　　相同的獨立電源并聯工作是獲得高功率電源的既可靠又經濟有效的方法。如圖2,例如，用5個600W Vicor第二代電源模塊為2.4KW負載(N+1冗余度)供電，要是5個電源中有一個發生故障，仍能滿足系統的電源要求。Vicor第二代變換器有一個PR(并聯)引腳，它解決了并聯工作時某些技術問題，包括功率共享和真正的故障容錯。

　　電流共享的最簡單方法是將全部PR引腳互連在一起。電流共享精度通常在±2%以內。可是該方法并非是真正的故障容錯系統。如果公共母線對地發生故障，就會使整個陣列癱瘓。幸好Vicor變換器PR引腳上信號實際上是一個脈沖信號，可通過電容或變壓器將每個變換器的公共母線隔離開來，從而避免這類失效模式。

　　為了降低多個模塊陣列的輸入與輸出濾波要求。變換器可通過PAC(相陣列控制)接口。PAC集成電路不僅用隔離母線來支持精確電流共享，而且能以360/N度陣列自動調整每個模塊的相角，這里N是工作的模塊數目及N≤12。若每個變換器交替地開關，陣列的有效開關頻率增加了N倍，能大大減少濾波元件的尺寸。

　　要求故障容錯度或冗余度的應用也需要熱插拔功能，以保證系統的連續工作。例如，通信應用通常需要不間斷地工作，這就是說，失效的電源卡應在系統仍處于通電狀態下進行更換。

　　熱插拔卡應這樣設計，其初級參數電位(或提供大量能量的次級電路)不能和用戶接觸。另外，當模塊發生故障時，應有報警電路來檢測和識別故障，并將故障通知維修人員。

　　設計也要保護輸入電壓母線和輸出電壓母線，避免母線在卡換下時產生瞬變。通常，在故障單元使輸入短路的場合，一個大容量電容在故障單元的保險絲被燒斷前提供必要的保持時間。但是，在更換的新卡插入時，這些大電容會使輸入母線上的電壓跌落。該電容可用串聯電阻和并聯開關(FET或繼電器)進行去耦。為了減少效率的損失，并聯開關在插入初始是開放的，然后再閉合將串聯電阻短路。

　　在熱插交換期間，輸出的考慮是類似的，或門二極管有助于隔離熱交換卡上的電容，避免已處于系統中冗余卡上的相同電容放電。如果輸出未使用或門二極管，熱交換卡上的輸出電容應采用輸入母線類似的方法進行隔離。

　　模塊化設計能簡化機構認證過程，因為絕大多數模塊已獲得安全性機構認證，如UL、VDE、CSA和TUV。預先取得安全機構認證能極大地節省一個項目的研發時間和成本。

　　電源系統輸入與輸出間電氣隔離是選擇過程中最基本的安全性要求。對AC輸入或高壓DC輸入系統，需要隔離來保護最終用戶免受危險電壓或電流的傷害。隔離型DC-DC變換器具有內部變壓器來提供必要的保護，從而簡化了系統的設計。非隔離型變換器需要一個外部變壓器，將輸入電壓降低至安全電平，提供AC線路電壓的保護。

　　對給定的母線電壓，要考慮幾個因素。電壓越高，功率損耗越低，且導體尺寸也越小。但是安全性標準通常與選用較高母線電壓相矛盾。SELV(安全的極低電壓，表示一個人能觸摸而不會受到傷害的最高電壓)是絕大多數國家的要求，它限定了人身所需面對的電壓。

　　DC-DC變換器模塊的模塊化形狀因數有助于設計人員使電源適應各種可利用的空間。一個電源可設計或幾乎是任意的物理結構，而不只是一個方盒。“行業標準”全尺寸模塊封裝為2.4×4.6×0.5in;也提供半尺寸和四分之一尺寸的封裝。

　　DC-DC變換器模塊有多種標準的輸入電壓、輸出電壓和輸出功率的組合，以及任意的特殊組合。某些模塊以相同的物理封裝、相同的引腳提供各種功率電平。這樣，如果指標改變要求更大的功率，比如輸出從100W增加到150W，則可改用較高的功率模塊，而使設計更改保持在最低限度。■（東華譯）

摘自《電子產品世界》

上一篇：閥控式密封蓄電池維護注意事項

下一篇：通信用閥控鉛酸蓄電池的充放電控制技術