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电源模块在嵌入式系统设计中的四个选型问题

时间:2017-08-02 来源:周立功致远电子

电源模块的出现,将嵌入式工程师从繁重的电源设计工作中解脱出来。但电源模块的种类繁多,我们在日常电路设计中该如何考虑选型呢?

在日趋激烈的市场竞争中,产品的快速设计与开发无疑已经成为领先致胜、快速占领商机的必要条件。在项目经理的“鞭策”和项目周期越来越短的普遍情况下,模块化开发,平台化开发,方案引用式开发模式已经被越来越多的系统设计人员和硬件工程师接受使用。

 

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图1 模块化设计产物——模块化手机

任何一个电子产品的开发,都逃不开电源的设计。如果将产品比作人,那么电源就好比一个人的心脏,心脏的健康与否,关乎到人的生死存亡。同样,电源的设计优劣,轻则影响整个产品的性能,重则影响整个项目的成败。而电源设计,又以其专业程度高,调试周期长,故障排查难等特点,让“攻城狮”们深恶痛绝。

在此等大背景下,模块电源应运而生,为“攻城狮”们带来了福音。其中DC/DC电源模块又以其体积小巧、性能优异、使用方便、综合成本低等显著特点,在通信、网络、工控、铁路等领域得到广泛的应用。

那么,在型号繁多,参数各不相同,品牌众多的电源模块中,怎样筛选出既合适,性价比又高的DC/DC电源模块呢?一般标准选型方法大家都比较熟悉,这次我们讲点不一样的,讲讲嵌入式系统设计时DC/DC电源模块选型时比较容易纠结的几个问题。

一、隔离or非隔离?

“这部分电路到底需不需要隔离?”这基本上是每一个嵌入式系统工程师都会思考的问题。

从隔离的目的来说,可以将隔离分为安全隔离和噪声隔离两大类。由于嵌入式系统的应用广泛性,在硬件设计中,经常会遇到多电压供电,数模混合,高速低速信号同板等复杂的情况,处理稍有不慎,就会引入干扰,轻则降低产品性能,重则干扰通信甚至引起系统重启、瘫痪等。此时,隔离就显得尤为重要,在嵌入式系统的设计中,一般都会选择使用隔离电源模块对PCB不同区块进行隔离供电,从最大限度上减少噪声干扰,提高系统稳定性。

 

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图2 致远电子3W宽压隔离电源模块

另外,在含有工业总线的嵌入式系统中,常常会面临浪涌、电弧干扰、雷击等恶劣环境,因此需要将总线部分和嵌入式系统部分进行安全隔离。隔离不仅能消除接地环路的干扰,还能阻隔外界恶劣环境因素影响通过总线进入核心系统,保证核心系统安全的作用。

二、性能VS 成本?

“性能”和“成本”是一对相爱相杀的冤家,让多少工程师面临两难的选择,多少辛辛苦苦做的方案,由于成本问题不得不放弃。是为了性能不顾成本?还是为了成本牺牲性能?怎样平衡性能和成本,这是在产品设计中亘古不变的话题。

 

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图3 性能和成本之争

对于同样输入输出电压的DC/DC电源模块来说,输出功率和工作温度范围是影响其成本的主要因素。电子器件工作温度范围一般分为:商业级(0~70℃)、工业级(-40~85℃)、车规级(-40~105℃)、军品级(-55~125℃)等。由于温度等级不同,对材料和制造工艺的要求不同,模块成本就相差很大了。

如果在体积(封装形式)一定的条件下实际使用功率已经接近模块额定功率,那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际使用需求甚至略有余量。如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品,实际使用温度已经逼近模块极限温度的情况,怎么办呢?这时可以采用降额使用的办法,即选择功率或封装更大一些的产品,这样“大马拉小车”,温升低,能够从一定程度上缓解这一矛盾。

总之要么选择宽温度范围的产品,功率利用更充分,封装也更小一些,但价格较高;要么选择一般温度范围产品,价格低一些,功率余量和封装形式就得大一些。到底怎样选择,就需要根据实际的情况,综合考虑了。

三、功率余量留多少?10%、20%、还是30%?

“设计余量”,一个让人又爱又恨的指标。余量设计的本质是预防意外,它虽然与品质无关,但余量设计不足,会存在质量问题的隐患,余量设计过大,又会造成成本的升高。

由于嵌入式系统应用的广泛性,负载也具有多样性,有的是阻性负载,有的是感性或容性负载,有的负载较稳定,有的负载波动较大,有的甚至还会有空载、或满载、或瞬间负载变大、或瞬间负载跌落的情况发生,这给确定电源模块的功率等级造成一定的难度。

 

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图4 嵌入式开发应用广泛

一般情况下,负载电流的大小是决定功率的关键因素,为考虑到嵌入式系统设计的稳定性和抗意外能力,建议根据实际情况,最小预留20%的设计余量,既实际使用中最大功率不超过电源模块额定功率的80%,在这个功率范围内电源模块各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。如果余量太大,造成资源浪费,如果余量太小则不利于温升和可靠性。

对于波动较大的负载,设计应当满足峰值电流不超过电源模块最大承受范围的基本原则,再根据负载波动的频率,适当的加大设计余量的方法,尽量提高可靠性。

四、隔离电压越大越好?

隔离电压,是隔离型DC/DC电源模块的一个重要指标,一般分1000VDC、1500VDC、2000VDC、3000VDC、6000VDC等规格,是指在一定时间内(通常是1秒)电源模块所能承受的、施加在输入端和输出端之间的最高电压。隔离电压等级越高,电源模块内部的保护器件和设计工艺要求就越高,从根本上讲,就是成本越高。那么怎样选择合适的隔离电压呢?

电源模块的隔离电压,需要根据应用场合来选择。一般场合使用对电源模块隔离电压要求不是很高,但是更高的隔离电压可以保证模块电源具有更小的漏电流,更高的安全性和可靠性,并且EMC特性也更好一些,加之嵌入式系统核心器件集成度高,封装小,相对比较脆弱,因此一般应用业界,普遍的隔离电压水平为1500VDC或以上。但在一些特殊的行业,比如医疗,户外通信基站,高压电力等,对电源模块的隔离度要求则更高。

在科技高速发展的当下,产品快速开发已经成为常态化,嵌入式系统强大的处理能力,弱化了硬件设计,将大量的工作交给了软件。标准化的硬件平台,标准的接口,丰富的驱动,使产品快速成型推向市场成为可能。在越来越紧凑的项目周期下,越来越多的嵌入式系统设计工程师已经强烈的认识到:正确合理地选用DC/DC电源模块,不但可以省去电源设计、调试方面的麻烦,而且可以提高整体系统的可靠性和设计水平,更重要的是,缩短了整个产品的研发周期。

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