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如何选择正确的电源模块

Date:2017-10-25

设计从在FPGA上实现的概念证明开始,现在到了必须创造电源的时候。一个隔离式电源模块提供12V电源,为先进的ASIC、微控制器、FPGA和各种其他元件供电。一如既往,这些元件实际上充满了电路板的空间,提供充分的电力、稳定性、热性能、低噪声及可靠性需要挑战物理定律。


由于ASIC、微控制器和FPGA的大电流要求,你可以使用基于分立元件的电源(一种分立和集成式的组合)或基于模块的解决方案。当解决方案规格和外形固定时,成本、设计工作量和性能之间的权衡是必须考虑的条件。不过,当FPGA和微码选项仍然未知并在最后一刻前有可能变化时,时间就成为关键因素,有可能出现不可预见的开发延迟。

在使用分立元件来设计你的电源时,当你思考需要考虑的所有元件,你就会很快意识到电源模块能够提供的价值。在分立方案下,挑选合适的PWM控制器、FET、电感器、补偿方案和其他支持元件都需要时间,从而使设计周期变长。


此外,对电路板进行合理布局需要的时间,以及所涉及的持续元件采购成本和时间都是电源模块能够为设计你的电源解决方案带来显著优点的所有重要原因。

由于系统设计要求、电路板空间紧张和你的概念本质,你决定项目应当采用基于模块的解决方案。电源模块可提供完全集成的DC/DC稳压器。这意味着控制器、FET、电感器和补偿电路全都包含在单个封装之内。模块可以是模拟式、带数字包封的模拟式或纯数字式。


对于你的设计,你决定选择ISL8270M数字DC/DC电源模块。该模块可提供25A连续输出电流,无需风扇或散热器。热增强的高密度阵列(HAD)模块能够将热直接消散在电路板中。模块的ChargeMode数字控制可响应单个开关周期内的瞬态负载,无需补偿。另外它还能够最小化输出电容,以增加设计的密度。像ChargeMode这样的功能可让设计始终保持稳定,无论温度或输出电容及负载如何变化。


引脚设置(Pin strap)模式允许对预编程配置进行快速变更。对于该电源模块,使用名为PowerNavigator的图形用户界面(GUI)设计工具来简化设置和配置。该工具使变更数字电源设计的特性和功能变得容易,无需编写一行代码,从而确保设计能在一星期的最后期限之前完成!

设计的概念证明对电源设计工程师始终是个挑战,没有坚强的神经是不成的。当系统电源发生变化时会出现无休止的障碍,如由于误差和性能改进的电压变化,或者由于误计算和FPGA及微控制器的不断调整的电流变化。对电源设计工程师来说,这些变化意味着进一步的密度和热考虑,但最坏的情况是,这意味着令人畏惧的补偿网络重新计算。使用该数字电源模块的ChargeMode特性,你能抛开你的计算书、计算尺、高档计算器和不再惦记用智能手机寻求技术支持。


单片机复位、电脑死机、手机蓝屏等生活中常见的现象,其实和电源模块的供电也有着千丝万缕的联系,针对电源供电故障现象,如何定位背后问题?这里将为大家一一揭晓。


目前,市场上电源模块种类繁多,不同产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同,其特点是可为微控制器、集成电路、数字信号处理器、模拟电路、及其他数字或模拟负载供电。电源模块的可靠性比较高,但也可能发生故障,以下是用ZLG致远电子的DC-DC为例分析常见的八种故障。


一、输出电压偏低

电路输入电压过低,会使得电路不正常,如微控制器系统中,负载突然增大,会拉低微控制器供电电压,造成复位。电源长时间工作在低输入电压情况下,电路的寿命也会有极大的影响。输出电压过低通常是那些原因造成的呢?

输入电压较低或功率不足;

输出线路过长或过细,造成线损过大;

输入端的防反接二极管压降过大;

输入滤波电感过大。


图1

解决方法:

1)调高电压或换用更大功率输入电源;

2)调整布线,增大导线截面积或缩短导线长度,减小内阻;

3)换用导通压降小的二极管;

4)减小滤波电感值或降低电感的内阻。

二、输入电压偏高

输入电压过高,非常容易烧毁电路,带来危害较大,哪些常见原因易造成电压偏高呢?

输出端悬空或无负载;

输出端负载过轻,轻于10%的额定负载;

输入电压偏高或干扰电压。

解决方法:

1)确保输出端不小于少10%的额定负载,若实际电路工作中会有空载现象,就在输出端并接一个额定功率10%的假负载;

2)更换一个合理范围的输入电压,存在干扰电压时要考虑在输入端并上TVS管或稳压管。

三、模块发热严重

电源模块在电压转换过程中有能量损耗,产生热能导致模块发热,降低电源的转换效率,影响电源模块正常工作,但什么情况下会造成电源模块发热较严重呢?

使用的是线性电源模块;

负载过流;

负载太小:负载功率小于模块电源输出功率的10%,都会有可能会导致模块发热(效率太低);

环境温度过高或散热不良。

热成像仪观测下的发热电源模块如图2所示:


图2

解决方法:

1)使用线性电源时要加散热片;

2)提高电源模块的负载,确保不小于10%的额定负载;

3)降低环境温度,保持散热良好。

四、输出噪声较大

噪声是衡量电源模块优劣的一大关键指标,在应用电路中,模块的设计布局等也会影响输出噪声,哪些因素对输出噪声有较大影响呢?

电源模块与主电路噪声敏感元件距离过近;

主电路噪声敏感元件的电源输入端处未接去耦电容;

多路系统中各单路输出的电源模块之间产生差频干扰;

地线处理不合理。

ZDS2024示波器测试有较大噪声干扰问题的电源模块,如图3所示:


图3

解决方法:

1)将电源模块尽可能远离主电路噪声敏感元件或模块与主电路噪声敏感元件进行隔离;

2)主电路噪声敏感元件(如:A/D、D/A或MCU等)的电源输入端处接0.1μF去耦电容;

3)使用一个多路输出的电源模块代替多个单路输出模块消除差频干扰;

4)采用远端一点接地、减小地线环路面积。

五、电源模块启动困难

在电源的应用电路中,经常会出现电源模块输出端电压正常,输出端就是没有任何输出,电源模块也无损坏,是什么原因呢?或许是电源模块无法启动?

外接电容过大;

容性负载过大;

负载电流过大;

输入电源功率不够。

解决方法:

1)外接电容过大,在电源模块启动时向其充电较长时间,难以启动,需要选择合适的容性负载;

2)容性负载过大时需可先串联一个合适的电感;

3)输出负载过重是会造成启动时间延长,选择合适负载;

4)换用功率更大的输入电源。

六、电源模块上电后快速烧毁

电源模块刚上电就烧毁冒烟了,输入端的电容炸裂,如图4所示,是什么原因导致的呢?


图4

输入电压极性接反了;

输入电压远远高于标称电压;

输出端极性电容接反了;

输出电路易引起短路或者外接负载在上电瞬间存在大电流。

解决方法:

1)接线前注意检查或加防反接保护电路;

2)选择合适的输入电压;

3)上电前检查电容极性,确保正确;

4)在电源模块输出端加短路保护。

七、模块电源损坏较快

电源模块用一段坏了,再换一块没几天又坏了,是电源模块质量问题,还是使用不当造成的?

输出负载过轻使其可靠性降低所致;

输出端电容过大导致模块启动时造成损坏;

输入端电压长期偏高导致模块输入端开关管损坏。

解决办法:

1)确保输出端不小于少10%的额定负载,若实际电路工作中会有空载现象,就在输出端并接一个额定功率10%的假负载;

2)选取符合电源模块技术手册规格的电容;

3)选择合适的输入电压。

八、 耐压不良

隔离电源模块的耐压值高达几千伏,但在应用电路中,那些因素会大大降低其耐压能力?

耐压测试仪存在开机过冲;

选用模块的隔离电压值不够;

维修中多次使用回流焊、热风枪。

用耐压仪测试电源模块隔离电压的方法如图5所示:


图5

解决办法:

1)耐压测试时电压逐步上调;

2)选取耐压值较高的电源模块;

3)焊接电源模块时要选取合适的温度,避免反复焊接,损坏电源模块。

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