DC/DC模塊電源的選擇應(yīng)用及故障分析

陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司 王建琴 李坤武

國內(nèi)模塊電源目前已經(jīng)形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和市場化。產(chǎn)品一般采用厚膜或薄膜混合集成工藝，技術(shù)水平已達(dá)國際先進(jìn)水平。憑借其工作溫度范圍寬、體積小、重量輕、可靠性高、使用方便等特點，在國防工業(yè)高可靠電子系統(tǒng)及民用工業(yè)設(shè)備自動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。做好前期的優(yōu)選工作，在電源設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試方面可起到事半功倍的效果。不僅可以提高電子整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計水平和使用可靠性，而且可以極大地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。本文著重從模塊電源選擇、應(yīng)用的角度，結(jié)合近年來軍用模塊電源使用過程中得到的反饋信息，探討一下這方面的問題。

1.模塊電源選擇及應(yīng)用

為保證電子整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計及使用可靠性，除了考慮模塊電源的電壓轉(zhuǎn)換功能外，還要考慮質(zhì)量等級、封裝形式、體積大小、工作環(huán)境、工作頻率、隔離電壓、保護(hù)功能等。

1.1 選擇質(zhì)量等級

為保證產(chǎn)品可靠性設(shè)計要求，盡量選擇高質(zhì)量等級的模塊電源，但質(zhì)量等級過高勢必提高成本，所以應(yīng)選擇與系統(tǒng)相匹配質(zhì)量等級的模塊電源。

1.2 選擇額定功率

根據(jù)設(shè)計輸入要求選擇適合額定功率的模塊電源。依據(jù)降額原則通常實際使用功率選擇額定功率的30～80%，實踐證明工作在這個范圍內(nèi)各項性能穩(wěn)定、失效率低、可靠性高。具體功率降額多少以系統(tǒng)各部位具體情況而定，同時還要考慮最小負(fù)載，通常最小負(fù)載應(yīng)不小于10%額定負(fù)載，也可參照各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品具體規(guī)定。

1.3 選擇封裝形式

目前模塊電源的封裝形式有很多，有符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)的；有符合國標(biāo)、國軍標(biāo)、企軍標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的；也有非標(biāo)準(zhǔn)和特殊訂制的。對同一廠家產(chǎn)品，功率相同有不同封裝產(chǎn)品，功率不同有相同封裝產(chǎn)品。對不同生產(chǎn)廠家，模塊電源更是封裝種類繁多。有部分符合國際標(biāo)準(zhǔn)，相互之間可兼容、可互換；但有些產(chǎn)品屬非標(biāo)或定制產(chǎn)品不可互換。在功率已確定、空間位置不確定情況下，盡量選體積小的，給系統(tǒng)其它部分留出盡可能多的空間以便實現(xiàn)更多功能；在功率和空間位置都確定的情況下，盡量選擇體積較大的，這樣有利于散熱，提高其工作可靠性，延長使用壽命；盡量選擇符合通用標(biāo)準(zhǔn)封裝的產(chǎn)品，這樣兼容性、互換性好，也不會造成唯一供應(yīng)商；應(yīng)選擇具有發(fā)展前途和擴(kuò)展性好的產(chǎn)品，對以后系統(tǒng)擴(kuò)容、產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代做好鋪墊。

1.4 選擇使用溫度范圍與降額

模塊電源生產(chǎn)廠家一般都有多個溫度范圍產(chǎn)品，可以滿足不同使用場合選擇的要求。如商品級（0℃到+70℃）、工業(yè)級（-40℃到+85℃）、軍用級（-55℃到+125℃），在選擇時要根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境去選擇，一定要考慮實際需要的工作溫度范圍。不要為節(jié)約成本選擇勉強符合工作溫度要求的產(chǎn)品，必然會造成產(chǎn)品后期工作隱患；但也不必選擇溫度范圍要求過高的產(chǎn)品，這樣也會造成設(shè)計及生產(chǎn)成本增加，也是不明智的做法。一是綜合考慮使用功率和封裝形式兩個方面，在封裝形式確定的情況下實際使用功率如果已經(jīng)接近額定功率，模塊電源的溫度范圍要嚴(yán)格把控，并留出裕量；其次是工作溫度范圍和額定功率都確定的情況下，系統(tǒng)設(shè)計空間允許時選擇封裝體積較大一些的產(chǎn)品，這樣表面散熱快一些，工作時溫升相對會慢一點。

1.5 選擇工作頻率

評價一種模塊電源動態(tài)響應(yīng)工作性能如何，主要考核它的輸出紋波噪聲，即輸出紋波電壓與輸出紋波電流越小越好。要滿足輸出紋波噪聲小，就得提高模塊電源工作頻率，即工作頻率越高，紋波噪聲越小。但工作頻率越高對制造它的磁性材料要求也越高，制造成本自然也會增加。所以選擇時一定要分清使用場合，高要求應(yīng)用選擇高開關(guān)頻率的模塊電源，低要求應(yīng)用選擇低開關(guān)頻率的模塊電源，宗旨是必須滿足變負(fù)載條件下動態(tài)響應(yīng)的各項技術(shù)指標(biāo)。

1.6 選擇隔離電壓

模塊電源的隔離電壓越高，其漏電流會越小，可靠性、安全性也會更好一些，它的電磁兼容性能也會更好。大多數(shù)情況對隔離電壓要求并不是很高。一般這種具備高隔離電壓的模塊電源應(yīng)用在有特殊要求的場合，但制造材料成本也相對會高些，價位也相應(yīng)高。選擇時也要根據(jù)情況慎重選擇。

1.7 選擇故障保護(hù)功能

模塊電源的保護(hù)功能主要包括輸入時保護(hù)過壓、欠壓、軟啟動等；輸出時保護(hù)過壓、過流、短路等；系統(tǒng)內(nèi)部若有大功率發(fā)熱器件還需要考慮過溫保護(hù)功能等，使用條件不同，選擇也各不相同。設(shè)計人員要依據(jù)電子整機(jī)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的各種功能慎重選擇具有相應(yīng)保護(hù)功能的模塊電源。

查閱發(fā)生故障的模塊電源失效分析報告數(shù)據(jù)，模塊電源失效的主要原因主要是選擇使用不當(dāng)、外部電路中高電壓、大電流及短路引起的損壞。大致有以下情況：輸入端極性加反或輸入端短路引起過流導(dǎo)致內(nèi)部輔助電源穩(wěn)壓管、三極管鍵合金絲熔斷，致使模塊電源失效無輸出；輸出端發(fā)生短期過載現(xiàn)象，導(dǎo)致MOS管鍵合金絲過流熔斷，電源失效無輸出；模塊電源本身保護(hù)功能較為靈敏，帶電子負(fù)載加滿載（輸出電流短時間內(nèi)達(dá)到極限值）時，加電瞬間易形成保護(hù)，導(dǎo)致模塊電源無輸出。選用此種模塊類型時需要將電子負(fù)載改為阻性負(fù)載，即可避免加電瞬間保護(hù)現(xiàn)象發(fā)生。為提高系統(tǒng)的使用可靠性，降低失效率，要根據(jù)實際情況選擇適合特定系統(tǒng)的保護(hù)功能的模塊電源，實現(xiàn)外部電路出現(xiàn)故障時自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)避免損傷，外部隱患排除后又能自動恢復(fù)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2.模塊電源應(yīng)用注意事項

2.1 考慮最小負(fù)載限制

模塊電源一般都有最小負(fù)載限制，不同生產(chǎn)廠家有所不同，通常基本限定為10%左右。產(chǎn)品調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)負(fù)載太輕時會造成輸出電壓極其不穩(wěn)定，但實際使用中經(jīng)常有輕載甚至空載的情況出現(xiàn)，可增加適當(dāng)?shù)募儇?fù)載來處理，一般設(shè)置值為輸出功率的2%左右；也可在訂貨時要求廠家在制造時預(yù)置在模塊電源內(nèi)部，但要以降低效率作為代價；也可在模塊電源外部附加定值的電阻作為負(fù)載；也可選擇沒有最小負(fù)載限制的電路拓?fù)鋪韺崿F(xiàn)從空載到滿載的使用要求。

2.2 多路輸出中功率分配考慮

多路輸出模塊電源選擇時一定要考慮不同路輸出之間的功率分配。對雙路產(chǎn)品，分兩種類型：一種兩路負(fù)載是平衡的，兩路電流基本相同；另一種是負(fù)載不平衡的類型，即主路電流大、輔路電流小。對于不平衡負(fù)載類型，參考實際應(yīng)用應(yīng)選擇輔路與主路功率之比為1/5～1/2，這樣才能保證輔路的電壓穩(wěn)定性（±5%），否則輔路電壓就會有較大偏差。系統(tǒng)兩路負(fù)載若平衡就選擇對稱負(fù)載設(shè)計的模塊電源；若系統(tǒng)兩路負(fù)載不平衡，就不要選用平衡負(fù)載型模塊電源，會導(dǎo)致輔路電壓達(dá)不到要求精度。

2.3 模塊電源的發(fā)熱考慮

模塊電源通電工作時，內(nèi)部所有元器件會同時發(fā)熱，若是系統(tǒng)器件分布密集散熱條件差有可能導(dǎo)致工作溫度超過器件結(jié)溫引起內(nèi)部元器件燒毀，直接影響模塊使用壽命。器件工作時損耗產(chǎn)生發(fā)熱是不可避免的，可根據(jù)具體情況在電源外部加裝散熱器來降低溫升；在工作環(huán)境溫度高、散熱條件極差的部位也可選用自身帶有散熱裝置的電源模塊，必要時加裝風(fēng)扇強制散熱；遵照降額原則，在不影響使用功能和系統(tǒng)空間占用限制的情況下選擇體積較大、額定功率較大的模塊電源，盡量降低功耗引起的模塊電源自身發(fā)熱導(dǎo)致失效的情況，最大限度保證其正常使用壽命。

另外，模塊電源加電時應(yīng)正確的連接電源的正負(fù)極，保證正確供電，以避免反接燒毀；做電性能測試時，檢測位置應(yīng)為模塊電源引出腳根部；裝配時，底部應(yīng)緊貼電路板，以避免引腳受損，必要時應(yīng)增加防震措施；引出線避免彎曲，防止絕緣子破裂，影響密封性能；禁止端引腳不用時應(yīng)懸空。

3.模塊電源常見故障

現(xiàn)在的設(shè)計及制造工藝使得模塊電源的可靠性較以前已有很大提高，但也不排除會有故障發(fā)生，通常出現(xiàn)的故障有以下幾種情況：通電后，不工作，無輸出；輸出電壓降低，達(dá)不到正常輸出值；輸出電壓過高，超出正常輸出值；輸入短路，造成輸入電流超額；輸出電流太大導(dǎo)致的過流現(xiàn)象。

模塊電源無輸出或輸出電壓過低這兩種故障給器件本身及整機(jī)系統(tǒng)不會帶來太大損害，可通過電路排查檢測不難判斷出來；但是輸出電壓過高、輸入電流過大及輸出電流過大就比較危險了，它可以直接燒毀模塊電源本身及周邊器件甚至損壞電子整機(jī)系統(tǒng)，造成不可估量的損失。后三種故障可在設(shè)計時預(yù)先增加過壓保護(hù)、過流保護(hù)、電路前后級增加抗浪涌電路來應(yīng)對，過壓保護(hù)功能可通過增加穩(wěn)壓二極管或選擇自帶穩(wěn)壓功能的模塊電源來實現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)模塊電源都有一定的過壓過流保護(hù)功能，但使用效率要相對低一些，選擇時也要考慮到這點。

4.結(jié)束語

模塊電源要優(yōu)先選用經(jīng)實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途的器件；選用符合國軍標(biāo)、部軍標(biāo)、企軍標(biāo)通用的技術(shù)成熟的器件；在最大滿足質(zhì)量可靠要求的前提下，性價比相當(dāng)時，優(yōu)先選用國產(chǎn)器件。模塊電源只有慎重選擇、合理使用才能使其卓越優(yōu)異性盡致發(fā)揮，使得模塊電源使用可靠性得以極大保障，同時電子整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計和使用可靠性才能得以保證。

[1]國產(chǎn)軍用電子元器件產(chǎn)品手冊.

[2]43所產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊.