DC/DC電源模塊的工作原理

DC-DC是用開關(guān)電源的思想實(shí)現(xiàn)的。DC-DC有降壓和升壓兩種，在這里只說(shuō)降壓，比如說(shuō)你給DC-DC輸入10V，DC-DC內(nèi)部有個(gè)振蕩器和斬波模塊，例如，把在一個(gè)時(shí)間段允許10V通過(guò)，另一時(shí)間段內(nèi)不允許10V通過(guò)（等于0v）。而在輸出端有一個(gè)電容進(jìn)行濾波，只要電容足夠大，其結(jié)果就等于將中間的那個(gè)脈沖波形進(jìn)行微積分，而輸出一個(gè)5V的直流波形。

這個(gè)降壓的過(guò)程相對(duì)于穩(wěn)壓模塊來(lái)說(shuō)，更大限度地避免了電能在降壓模塊上面的消耗，并且內(nèi)部震蕩部分控制其占空比就能改變輸出電壓大?。ㄔ?0V范圍內(nèi)），使其輸出能恒定（比如某個(gè)DC-DC規(guī)定輸入范圍是6V到16V，輸出5V，只要是在這個(gè)輸入范圍內(nèi)，輸出都是5v誤差只有零點(diǎn)零幾伏，而穩(wěn)壓模塊的輸出則和輸入電壓有一定的線性關(guān)系，輸入7V的輸出電壓和輸入14V的輸出電壓差得比較大）

采用電源模塊的優(yōu)點(diǎn)

不同的供應(yīng)商在市場(chǎng)上推出多種不同的電源模塊，而不同產(chǎn)品的輸入電壓、輸出功率、功能及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都各不相同。采用電源模塊可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，使產(chǎn)品可以更快推出市場(chǎng)，因此電源模塊比集成式的解決方案優(yōu)勝。電源模塊還有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

 每一模塊可以分別加以嚴(yán)格測(cè)試，以確保其高度可靠，其中包括通電 測(cè)試，以便剔除不合規(guī)格的產(chǎn)品。相較之下，集成式的解決方案便較難測(cè)試，因?yàn)檎麄€(gè)供電系統(tǒng)與電路上的其他功能系統(tǒng)緊密聯(lián)系一起。

 不同的供應(yīng)商可以按照現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)同一大小的模塊，為設(shè)計(jì)電源供應(yīng)器的工程師提供多種不同的選擇。

 每一模塊的設(shè)計(jì)及測(cè)試都按照標(biāo)準(zhǔn)性能的規(guī)定進(jìn)行，有助減少采用新技術(shù)所承受的風(fēng)險(xiǎn)。

 若采用集成式的解決方案，一旦電源供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，便需要將整塊主機(jī)板更換；若采用模塊式的設(shè)計(jì)，只要將問(wèn)題模塊更換便可，這樣有助節(jié)省成本及開發(fā)時(shí)間。

根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。

　　線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的穩(wěn)壓電源。而在開關(guān)電源中則不一樣，開關(guān)管（在開關(guān)電源中，我們一般把調(diào)整管叫做開關(guān)管）是工作在開、關(guān)兩種狀態(tài)下的：開——電阻很??；關(guān)——電阻很大。

　　開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。 通過(guò)下圖，我們來(lái)簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)降壓型開關(guān)電源的工作原理。如圖所示，電路由開關(guān)K（實(shí)際電路中為三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管），續(xù)流二極管D，儲(chǔ)能電感L，濾波電容C等構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電源通過(guò)開關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲(chǔ)存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開關(guān)斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過(guò)負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管D的正極，經(jīng)過(guò)二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個(gè)回路。通過(guò)控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過(guò)檢測(cè)輸出電壓來(lái)控制開、關(guān)的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。

　　在開關(guān)閉合期間，電感存儲(chǔ)能量；在開關(guān)斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲(chǔ)能電感。二極管D在開關(guān)斷開期間，負(fù)責(zé)給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續(xù)流二極管。

　　在實(shí)際的開關(guān)電源中，開關(guān)K由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管代替。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電流很??；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電壓很小，所以發(fā)熱功率U×I就會(huì)很小。這就是開關(guān)電源效率高的原因

DC/DC電源模塊的特點(diǎn)

※ 小體積、高可靠性；

※ 輸出穩(wěn)壓，精度可達(dá)±3%；

※ 高性能價(jià)格比；

※ 多種輸入、輸出電壓；

※ 內(nèi)置輸入濾波器，低電磁兼容特性；

※ 鋁殼磨沙氧化，六面屏蔽。

※ 典型應(yīng)用：工業(yè)儀表、數(shù)字電路、電子通信設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感遙測(cè)、地面通訊科研設(shè)備等領(lǐng)域。

1、輸入特性

輸入電壓范圍：

4.75VDC—5.25VDC

11.40VDC—12.60VDC

14.25VDC—15.75VDC

22.80VDC—25.20VDC

45.60VDC—50.40VDC

2、輸出特性

輸出電壓精度：標(biāo)稱輸出電壓±3%

負(fù)載效應(yīng)：20%～100%負(fù)載變化時(shí)

≤±1.0%（最大值）

源效應(yīng)：輸入電壓從低端至高端變化時(shí)

≤±1.0%（最大值）

紋波及噪聲：≤50mVpk-pk（最大值）

溫度系數(shù)：≤±0.02%/℃（最大值）

3、隔離電壓：輸入至輸出（1分鐘漏電流<2mA）1000VDC

最大殼溫：+90℃

模塊電源主要應(yīng)用領(lǐng)域

模塊電源應(yīng)用在幾大方面

1.電力，主要有集成器和電表以及智能電表

2.工控， 工業(yè)控制領(lǐng)域

3.醫(yī)療，醫(yī)療設(shè)備，主要有護(hù)胎儀，監(jiān)護(hù)儀等等

4.軍工，軍工業(yè)是應(yīng)用很廣泛的一個(gè)方面。軍用設(shè)備里。

DC/DC電源的幾大指標(biāo)

功率 P=UI,是輸出電壓和輸出電流的乘積。

輸入電壓分交流輸入和直流輸入2種。

輸出電壓一般是直流輸出，但也有交流輸出的。

工作溫度

隔離電壓：隔離就是將輸出與輸入進(jìn)行電路上的分離。有以下幾個(gè)作用：

一，電流變換；

二，為了防止輸入輸出相互干擾；

三，輸入輸出電路的信號(hào)特性相差太大，比如用弱信號(hào)控制強(qiáng)電的設(shè)備

封裝尺寸有插針，貼片的，和螺旋。

輸出有單路輸出，雙路輸出及多路輸出。一般來(lái)說(shuō)，這類模塊稱為負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。

DC-DC電源模塊隔離耐壓檢測(cè)

　　直接用耐壓檢測(cè)儀對(duì)DC-DC電源模塊進(jìn)行檢測(cè)，但是先要看DC-DC模塊的耐壓性能是多少，如果本身耐壓性能是1000VDC,在檢測(cè)的時(shí)候就不能用高于1000VDC的DC電壓來(lái)檢測(cè)，如果用1500VDC來(lái)檢測(cè)有可能直接將產(chǎn)品燒壞，這其實(shí)是破壞性的檢測(cè)！

　　故障分析：

　　盡管電源模塊的可靠性比較高，但也可能發(fā)生故障，在DC/DC模塊中，一般可能發(fā)生的故障有以下幾種：

　　1、模塊在使用過(guò)程中輸出電壓降低；

　　2、模塊停止工作；

　　3、模塊輸出電壓過(guò)高；

　　4、模塊輸入短路；

　　5、模塊輸出電流過(guò)大。

　　前兩種DC/DC故障一般不會(huì)帶來(lái)很大危險(xiǎn)，可以故障診斷電路檢測(cè)并報(bào)警。

　　第三種失效方式比較危險(xiǎn)，它可以燒毀應(yīng)用電路，一般通過(guò)過(guò)壓保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)，另外也可以在輸出端加穩(wěn)壓二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇二極管的參數(shù)，防止由于溫度不同造成穩(wěn)壓點(diǎn)的變化。有些模塊本身自帶過(guò)壓保護(hù)。一般來(lái)講，25W以下模塊無(wú)過(guò)壓保護(hù)功能，25W以上模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)壓保護(hù)電路。過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)一般設(shè)計(jì)為135[%]--145[%]額定電壓。詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)要確認(rèn)模塊是否具有這些功能，以免重復(fù)設(shè)計(jì)。

　　第四種會(huì)導(dǎo)致輸入過(guò)流，嚴(yán)重時(shí)燒壞印制板，一般可以通過(guò)在輸入端選擇合適的保險(xiǎn)管進(jìn)行保護(hù)。保險(xiǎn)管在布線時(shí)一般要布置在靠近電源模塊的輸入端，這樣設(shè)計(jì)的目的是降低輸入線的引線電感，避免保險(xiǎn)管熔斷時(shí)，引線電感引起輸入端的過(guò)壓。

　　第五種DC/DC故障可以通過(guò)選擇帶有過(guò)流保護(hù)的電源模塊，一般的電源模塊都有過(guò)流保護(hù)功能，這種模塊在其內(nèi)部可以通過(guò)檢測(cè)變化器原邊或副邊電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，但要損失一定的效率。在進(jìn)行電壓模塊選擇時(shí)，不是功率額定越大越好。如果降額過(guò)大，則用戶板輔助短路時(shí)，由于傳輸壓降的存在，輸出電流不足以實(shí)現(xiàn)模塊過(guò)流，有可能引起芯片過(guò)熱甚至損壞。

DC/DC電源模塊的應(yīng)用

　　DC/DC電源模塊開關(guān)式穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)式電源的應(yīng)用有較大的差別。開關(guān)式電源，送變器處于高頻開關(guān)狀態(tài)，在正常工作情況下，存在有一定的干擾和副射。這就要求在實(shí)際使用時(shí)，要采用相應(yīng)措施，以達(dá)到最佳的應(yīng)用狀態(tài)?，F(xiàn)對(duì)DC/DC電源模塊的應(yīng)用，做如下說(shuō)明：

　　一、選擇

　　1、在選擇電源時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的要求，合理選擇電源的類型，如電壓的精度、負(fù)載的類型、電流的變化范圍，使用環(huán)境等，搞清楚產(chǎn)品使用環(huán)境和要求是合理選用和定做電源的前提和條件。

　　2、本廠提供的DC/DC電源模塊，有單路、雙路和多路之分。

　　單路電源的性能和指標(biāo)相對(duì)于雙路和多路電源的性能指標(biāo)較高，尤其是負(fù)載調(diào)整率。雙路電源在等比例負(fù)載時(shí)，輸出電壓精度受負(fù)載的影響比較小，如果負(fù)載偏斜則對(duì)輸出電壓的精度影響較大，因此如要求雙路輸出電壓精度較高或輸出電壓對(duì)稱性好時(shí)也可用兩組相同的單路電源組成，或選用我廠特型電源，以提高輸出電壓的精度。在主副路控制的電源中，為了使各副路有相應(yīng)的電壓精度，應(yīng)使主路有一定的負(fù)載范圍

　?。ㄈ纭?0[%]的額定負(fù)載）在選用時(shí)應(yīng)注意。

　　二、測(cè)試

　　目前各廠家或電源技術(shù)資料給出的電源技術(shù)指標(biāo)的名稱，以及測(cè)試法都有一定的差異，但其原理都是一樣的現(xiàn)就我廠的規(guī)定及測(cè)量方法說(shuō)明如下：

　　1、測(cè)試環(huán)境條件

　　在無(wú)特殊要求時(shí)，測(cè)試均在下列環(huán)境條件下進(jìn)行：溫度：15～35℃、相對(duì)濕度：20[%]～80[%]、大氣壓力：86～106Kpa、無(wú)強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾

　　2、詳細(xì)要求（在1種正常測(cè)試環(huán)境條件下）

　　2.1輸出電壓精度

　　2.2電壓調(diào)整率（電壓穩(wěn)定度）

　　三、應(yīng)用。

　　1、我廠的DC/DC電源模塊，輸入輸出端都加有濾波措施，一般能夠有效的抑制來(lái)自輸入側(cè)的EMI雜波和戶動(dòng)浪涌電流，如供電質(zhì)量較差或?qū)﹄娫聪到y(tǒng)有更多的要求，可在模塊的前后分加濾波網(wǎng)絡(luò)。

　　2、直流輸入電壓極性不能接反，也不能超范圍使用，否則會(huì)使模塊永久失效。

　　3、使用電源時(shí)，一般選在20[%]～80[%]的額定功率為最佳，不能后期超額定功率使用，以免影響模塊的使用壽命。

　　4、當(dāng)輸出的電流較大時(shí)，傳輸電流的線徑不能過(guò)長(zhǎng)，或過(guò)細(xì)以免造成大干擾和誤差。

　　5、對(duì)自然散熱的DC/DC電源模塊，要保證使用的環(huán)境溫度不能超出所給溫度范圍，以免造成過(guò)熱損壞。

　　6、對(duì)要加散熱器的DC/DC電源模塊要有足夠的散熱器，使殼體的溫度

如何選擇DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)

　　適合那些已開始設(shè)計(jì)MicroTCA系統(tǒng)但想要詳細(xì)了解電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和如何選擇DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)的工程師。

　　在當(dāng)今信息和通行技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域中，DC/DC電源模塊還是一個(gè)全新的架構(gòu)。雖然它是從ATCA的架構(gòu)中演化而來(lái)，但無(wú)論從產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)講，還是有所不同的。本文在簡(jiǎn)單闡述了兩者發(fā)展的歷史背景和關(guān)系之后，著重介紹了供電架構(gòu)以及DC/DC電源模塊的重要性。尤其是在DC/DC電源模塊內(nèi)設(shè)計(jì)要素對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)中必須考慮的關(guān)于性能、成本和可靠性因素的影響。可作為對(duì)于MicroTCA電源系統(tǒng)的通用指南，適合那些對(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有全面了解但初次接觸MicroTCA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的工程師。它也適合那些已開始設(shè)計(jì)MicroTCA系統(tǒng)但想要詳細(xì)了解電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和如何選擇DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)的工程師。

　　同時(shí)對(duì)于DC/DC電源模塊廠家來(lái)說(shuō)，也提出了MicroTCADC/DC電源模塊設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)供進(jìn)一步討論?？傊?，由電源廠家自身或由滿足客戶需求決定的設(shè)計(jì)方案最終會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能。在MicroTCA中，所有的負(fù)載實(shí)際就是AMC板卡。對(duì)于已使用ATCA架構(gòu)的用戶來(lái)說(shuō)，采用AMC板卡作為兩種不同架構(gòu)設(shè)備的通用中間介質(zhì)，可以有效降低開發(fā)成本。單從AMC板卡本身可生產(chǎn)性和成本角度考慮，經(jīng)濟(jì)利益也是可觀的。由于不用再開發(fā)單獨(dú)應(yīng)用在MicroTCA架構(gòu)的AMC板卡，減少了模塊的種類，對(duì)于加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間以及將來(lái)減少備件成本都有積極意義。

　　在MicroTCA系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是DC/DC電源模塊，由于并不在需要ATCA架構(gòu)中的載板，因此MicroTCADC/DC電源模塊承擔(dān)了功率變換和控制的功能。MicroTCA系統(tǒng)也可以安裝在19英寸系統(tǒng)中，最大可支持6U高大系統(tǒng)，也可以是小系統(tǒng)。