| 分布式供電體制(distributed-power architectures,DPA)的盛行,極大地促進(jìn)了集成DC/DC變換器的發(fā)展。本文主要講述了DC/DC變換器在評(píng)測(cè)、對(duì)比和選型時(shí)的需要注意的問(wèn)題,以協(xié)助DPA設(shè)計(jì)人員在市場(chǎng)上挑選出合適的產(chǎn)品。
功率、輸入和輸出
首先要考慮的是輸入電壓、額定功率以及輸出電壓的大小和種類。根據(jù)額定功率的大小,DC/DC變換器通�？煞譃槌凸β�(1W以下)、小功率(1～9W)、中功率(10～150W)和大功率(150W以上)等類別。
大多數(shù)變換器的輸入電壓是12V或24V,對(duì)于那些要求輸入電壓可變或者輸入電壓不標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)合,可以選用具有寬電源輸入范圍的產(chǎn)品。變換器的輸出端有單路、雙路、三路等形式,有的產(chǎn)品還提供四路輸出。
不同的產(chǎn)品,輸出電壓也不盡相同,變換器通常輸出1.2～24V的標(biāo)準(zhǔn)電壓。電壓調(diào)整率是衡量變換器帶負(fù)載能力的重要指標(biāo),如果需要同時(shí)帶多路負(fù)載,那么就要求變換器可以很好地平衡各路不同大小的負(fù)載。
隔離度
絕大多數(shù)的電路都必須實(shí)現(xiàn)隔離,即將負(fù)載連同負(fù)載對(duì)本地電源的噪聲與電網(wǎng)的其他負(fù)載和噪聲隔開(kāi)。只有隔離變換器能夠達(dá)到這個(gè)要求。
采用隔離變換器除了實(shí)現(xiàn)上述要求之外,還可以實(shí)現(xiàn)差分形式的輸出,以及雙極型輸出(見(jiàn)圖)。
此外,將隔離型變換器的輸出高壓端與負(fù)載的電源地相連,就形成了負(fù)電源。由于電壓參考點(diǎn)不是地,因此負(fù)載可以獲得更高的電壓。
采用隔離型變換器的另一個(gè)妙處是：可以將多個(gè)具有不同輸出電壓的變換器級(jí)聯(lián)起來(lái),構(gòu)成一個(gè)電源。對(duì)于那些單個(gè)變換器的輸出電壓達(dá)不到工作電壓要求的設(shè)備,這種特性非常有用。
在一定時(shí)限內(nèi)(通常是1秒)變換器所能承受的、施加在輸入端和輸出端之間的最高電壓,稱為變換器的隔離強(qiáng)度。而變換器的額定工作電壓是指變換器能長(zhǎng)時(shí)間承受的加在輸入端的電壓,這個(gè)電壓低于隔離強(qiáng)度。
在選擇隔離型變換器時(shí)還需要考慮器件的泄漏電流指標(biāo),泄漏電流是指因輸入回路和輸出回路之間的耦合電容而產(chǎn)生的電流。只要給定隔離電容的值,并且確定噪聲頻率,就可以根據(jù)阻抗計(jì)算出泄漏電容的大小。
泄漏電流隨噪聲電壓的增加而增大,隨隔離電容的減小而減小。因此,設(shè)計(jì)低噪聲電源時(shí),應(yīng)該選擇隔離強(qiáng)度高而隔離電容低的DC/DC變換器,以減小泄漏電流。
變頻與定頻
和所有開(kāi)關(guān)型器件一樣,DC/DC變換器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲,因此濾波性能的好壞也是重要的選型依據(jù)。集成化的DC/DC變換器通常采用的是變頻開(kāi)關(guān)技術(shù)或是定頻開(kāi)關(guān)技術(shù)。
采用變頻開(kāi)關(guān)技術(shù)的變換器由于要根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行不斷調(diào)整,所以會(huì)導(dǎo)致頻帶展寬,增加濾波器的復(fù)雜度。而定頻開(kāi)關(guān)變換器在這方面則簡(jiǎn)便許多,甚至可以使用LC濾波器。
平均故障間隔時(shí)間
很多DPA系統(tǒng)都要求高度的可靠性,這就對(duì)平均故障間隔時(shí)間(MTTF)提出了要求。在這里要提醒讀者,僅憑產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上的數(shù)據(jù)是不能評(píng)價(jià)某個(gè)產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣的。
造成這個(gè)問(wèn)題的原因是,目前國(guó)際上尚未制定出公認(rèn)的關(guān)于MTTF指標(biāo)的定義和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),各廠商普遍使用的是美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217F中的“一般情況下的”可靠性預(yù)測(cè)方法,以及Bellcore標(biāo)準(zhǔn)TR-NWT-000332中的電信設(shè)備模型。不過(guò),即便是聲稱遵照同一標(biāo)準(zhǔn)推算出來(lái)的MTTF指標(biāo),常常也不一致。
這種不一致的第一個(gè)來(lái)源,是計(jì)算公式中對(duì)元器件特性的處理方式不同(例如某些算式將焊接點(diǎn)的影響忽略不計(jì),而焊接點(diǎn)故障是電路失效的最常見(jiàn)原因之一);來(lái)源之二是元器件的可靠性指標(biāo)。舉個(gè)例子,某些廠商采用MIL-HDBK-217F中的器件數(shù)據(jù)和故障率數(shù)據(jù),另外一些廠商則采用其他渠道的數(shù)據(jù);第三個(gè)來(lái)源是具體的計(jì)算方法差異(即便是MIL-HDBK,也給出了兩種不同的預(yù)測(cè)工具)。當(dāng)然,在變換器投入使用之前,任何MTTF指標(biāo)都毫無(wú)意義。
溫度對(duì)可靠性有顯著的影響,經(jīng)驗(yàn)公式是：環(huán)境溫度每升高10℃,器件壽命將縮短一半。如果主要的設(shè)備需要在40℃～50℃條件下運(yùn)行,并且電源部件的溫度高于環(huán)境溫度20℃,那么,25℃條件下推算出來(lái)的MTTF指標(biāo)就失去了意義。
實(shí)踐證明,設(shè)計(jì)人員必須透過(guò)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的數(shù)據(jù),深入地理解廠商推算MTTF的方法。必須去查詢推算的詳細(xì)步驟,知道原始數(shù)據(jù)的來(lái)源及其測(cè)量條件,對(duì)于那些無(wú)法提供詳細(xì)資料的廠商,應(yīng)該對(duì)其指標(biāo)持保留態(tài)度。
封裝形式
DC/DC變換器的外形尺寸和輸出形式差異很大。小功率產(chǎn)品采用密封外殼,外形十分纖小;大功率產(chǎn)品常采用quarter-brick或half-brick的形式,電路或暴露,或以外殼包裹。在選擇時(shí),需要注意以下兩個(gè)方面：第一,引腳是否在同一平面上;第二,是否便于焊接。
SMT形式的變換器必須要符合IEC191-6:1990標(biāo)準(zhǔn)的要求,該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SMT器件引腳的共面問(wèn)題做出了嚴(yán)格限定。器件引腳不共面會(huì)造成器件裝配時(shí)定位困難,嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量,提高次品率。
SMT形式的變換器應(yīng)能承受規(guī)定的焊接條件。對(duì)于絕大多數(shù)現(xiàn)代流水線而言,器件必須滿足CEC00802標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的回流焊要求,即器件表面溫度可超過(guò)300℃。如果變換器不能滿足這個(gè)要求,就需要為其設(shè)計(jì)專門的焊接裝配工藝,這會(huì)增加裝配時(shí)間,提高生產(chǎn)成本。
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