對(duì)當(dāng)今新型的DC-DC" title="DC-DC">DC-DC直流變換模塊只是在—個(gè)CMOS芯片上就可集成了高頻功率MOSFET、PWM控制器、故障保護(hù)及其它控制電路,有效地節(jié)約了成本.其性能包括短路及開環(huán)保護(hù)、可編程的限流點(diǎn)、輸入電壓" title="輸入電壓">輸入電壓欠/過壓" title="過壓">過壓保護(hù)、遲滯熱關(guān)斷、軟啟動(dòng)、反饋補(bǔ)償及遙控開/關(guān)機(jī).與傳統(tǒng)的分立設(shè)計(jì)相比,該Switch芯片可節(jié)省20多個(gè)外圍元件,極大地節(jié)省了電路板空間及成本.實(shí)現(xiàn)了體積小、重量輕、低成本、高效率、能適合各種應(yīng)用的DC-DC電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì).而隨著各類工控與便攜設(shè)備發(fā)展變化與需求,對(duì)電源功率的要求也增多,而DC-DC模塊串并聯(lián)應(yīng)用是最佳選擇,伴隨的是到模塊電源到的保護(hù)功能也顯得格外重要,為此本文將對(duì)其應(yīng)用與實(shí)例與技術(shù)作研討.?

　　2、DC-DC模塊的串并聯(lián)應(yīng)用?

　　2.1多路輸出模塊是常用的選擇?

　　多路輸出的模塊在選擇和應(yīng)用時(shí)要了解各路輸出之間的交互調(diào)節(jié)特性.多路輸出的模塊有幾種.其一,各路都是穩(wěn)壓的且各路均可任意加載,其特性最好,其二,主路輸出穩(wěn)壓,其它各路跟隨,付路的負(fù)載調(diào)整率較差且與主路負(fù)載有很大關(guān)系,如果主路載輕時(shí),付路加載時(shí)可能輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓會(huì)很低;其三,不分主、付路,各路的加載特性相同且都不是很好,但各路可隨意加載,如果其中一路空或載很輕時(shí)其輸出電壓會(huì)比其它各路都高,加載最重的輸出電壓最低.當(dāng)然首要的是應(yīng)仔細(xì)閱讀技術(shù)手冊(cè).?

　　2.2 DC-DC模塊串聯(lián)應(yīng)用?

　　電源模塊的輸出電壓的串聯(lián)使用是可能的,最多能串聯(lián)幾臺(tái)運(yùn)行要看具體的型號(hào)和應(yīng)用.為了獲得高輸出電壓,兩個(gè)模塊的串聯(lián)運(yùn)行如圖1所示.每個(gè)模塊的輸出并聯(lián)了一個(gè)反向二極管,它能使反向電壓旁路,在上電啟動(dòng)時(shí)不會(huì)由于啟動(dòng)時(shí)間不同而相互影響.此二極管應(yīng)選肖特基二極管,其反壓應(yīng)大于總輸出電壓,電流應(yīng)大于兩倍額定輸出電流.?

　　為獲得高輸出電壓,同一模塊的雙路輸出的串聯(lián)如圖2所示.如果串聯(lián)運(yùn)行時(shí)使用模塊的正負(fù)輸出,且正電源側(cè)的負(fù)載和負(fù)電源側(cè)的負(fù)載完全分離,則就不需加上述二極管,如圖3.此應(yīng)用類似組成正負(fù)電源系統(tǒng).在串聯(lián)應(yīng)用時(shí)要使兩模塊的性能盡量匹配,特別是上電啟動(dòng)特性和一些保護(hù)特性.建議盡量使用同一型號(hào)的模塊.?

　　2.3 DC-DC模塊并聯(lián)使用?

　　電源模塊的并聯(lián)有兩方面的作用,一是增加輸出功率,二是增加電源系統(tǒng)的可靠性.增加輸出功率的使用,一般情況下是單個(gè)模塊的輸出功率不能滿足要求,因此需要兩個(gè)或多個(gè)模塊并聯(lián),這樣就要求各模塊之間的均流要好,這種均流不能單靠輸出端并聯(lián)或把輸出電壓調(diào)為一致實(shí)現(xiàn),因?yàn)槟K的輸出阻抗、溫漂等都不相同,會(huì)使負(fù)載不均衡.這種并聯(lián)需要模塊具有此項(xiàng)功能才能實(shí)現(xiàn),如BCT公司 的300W和600W帶PC端子和CS端子的模塊,有PC端子的可直接并聯(lián),PC端連在一起,有CS端子的模塊需外加并聯(lián)均流電路.使用者在使用時(shí)須注意,輸出電路形式為自驅(qū)同步整流電路的,輸出端不能直接并聯(lián).?

　　為了增加電源系統(tǒng)可靠性的并聯(lián),我們稱之為熱備份使用,或冗余并聯(lián),如圖4.此種并聯(lián)的要求是,每一個(gè)模塊都可單獨(dú)提供100%的負(fù)載電流, 因此并聯(lián)使用時(shí)不存在均流的要求,兩者都在提供電流,相互之間互為熱備份.?

　　2.3.1新型DC-DC模塊的并聯(lián)輸出應(yīng)用舉例?

　　為此以美國Vicor公司的300V輸入系列高密度DC-DC中功率微型模塊為典型例作應(yīng)用說明.?

　　*特征?

　　該300V輸入系列高密度DC-DC模塊有7種中功率級(jí)的型號(hào),其中兩個(gè)50W模塊的輸出電壓為3.3V及5V;75W模塊的輸出電壓分別為12V、15V、24V、28V及48V模塊.很適合離線功率系統(tǒng)、工業(yè)及流程控制、分布式電源、醫(yī)療、自動(dòng)測試設(shè)備、通訊、國防及航空航天等應(yīng)用.?

　　這些300V輸入微型模塊型號(hào)為功率較低的應(yīng)用提供了具成本益的解決方案.這些轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱值是300V,輸入范圍從180V至375V,功率密度達(dá)90W/in3,效率達(dá)90%.模塊均符合RoHS規(guī)格,產(chǎn)品面積57.9 x 36.8 x 12.7mm及基板上高度為10.9mm.?

　　*并聯(lián)輸出應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)?

　　Vicor全型、小型和微型模塊可以并聯(lián)多只同規(guī)格轉(zhuǎn)換器模塊,以擴(kuò)大輸出功率.它們以陣列內(nèi)的模塊以并聯(lián)信號(hào)來互相傳遞訊息,令各模塊的開關(guān)頻率同步,達(dá)至均流.在并聯(lián)陣列內(nèi),會(huì)用PR引腳的功能,只容許一個(gè)模塊變?yōu)轵?qū)動(dòng)器,其余模塊自動(dòng)變?yōu)楸对銎?連接PR腳應(yīng)謹(jǐn)慎適當(dāng).如需要并聯(lián)四個(gè)或以上的轉(zhuǎn)換器,或陣列需要容錯(cuò)﹑冗余,可使用Vicor的 PR變壓器.把SC引腳連到感應(yīng)腳便可把模塊設(shè)定為倍增器,這在需要寬度調(diào)節(jié)的應(yīng)用特別適合,只需微調(diào)驅(qū)動(dòng)器模塊,便可調(diào)高或調(diào)低整個(gè)陣列的電壓.在冗余陣列中所有電感應(yīng)腳必須連接到輸出二極管(陰極)的共通點(diǎn).?

　　2.3.2并聯(lián)輸出在電動(dòng)汽車與直升飛機(jī)模擬飛行器顯示屏上的應(yīng)用?

　　*用于電動(dòng)汽車?

　　這個(gè)項(xiàng)目是并聯(lián)兩只DC-DC模塊,組成均流和電池充電器電路,從高壓蓄電池取電,轉(zhuǎn)壓為12V為Smart Car供電.這電動(dòng)汽車并非電氣油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),它是透過一類放置在車廂地板上絕緣箱內(nèi)的316Vdc電池,經(jīng)過精密的電子發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車.簡而言之,Vicor模塊用作固態(tài)發(fā)電,雖然車上已有一個(gè)12V充電池,供應(yīng)最高功率和緊急后備電源,而兩類Vicor模塊則用作為車內(nèi)照明、指示燈、擋風(fēng)玻璃水拔、標(biāo)板儀及車內(nèi)音響娛樂設(shè)備供電,以保證12V電波不會(huì)過勞,延長電池壽命.?

　　*用于直升飛機(jī)模擬飛行器顯示屏?

　　仿真飛行器是訓(xùn)練飛行員的重要儀器,它可幫助飛行員體驗(yàn)最接近真實(shí)飛行的情況.這個(gè)客戶的主要業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)高解像顯示系統(tǒng),應(yīng)用范圍包括仿真器、指揮與控制及虛擬現(xiàn)實(shí)等系統(tǒng).顯示儀基本的特征是高解像、寬廣視野、亮度和色彩對(duì)比適中,以滿足最嚴(yán)格的飛行模擬訓(xùn)練,如訓(xùn)練飛行員登陸及起飛,復(fù)雜的戰(zhàn)斗,如空對(duì)空及空對(duì)地.?

　　3、DC-DC模塊電源的保護(hù)技術(shù)?

　　3.1輸入過欠壓" title="欠壓">欠壓保護(hù)?

　　為了防止電源模塊的輸入電壓在超出正常范圍時(shí)損壞模塊,模塊絕大多數(shù)具有輸入過欠壓保護(hù),大功率電源的輸入欠壓保護(hù)尤其重要.這是由于電源模塊的效率基本上是恒定(在恒定負(fù)載的條件下,效率隨輸入電壓只有很小變化),隨著輸入電壓的降低輸入電流增大,如果輸入供電電源的電壓建立時(shí)間比較長,在模塊沒有欠壓保護(hù)的條件下會(huì)使模塊輸出電壓的建立時(shí)間較長,此時(shí)間與輸入電壓建立時(shí)間有關(guān),這樣會(huì)使用戶電路在上電時(shí)工作在異常狀態(tài),有可能會(huì)引起故障或燒毀用戶電路;而且在這種狀態(tài)的情況下模塊的輸入電流較大、輸入電壓很低,很容易損壞電源模塊.?

　　如果電源模塊具備欠壓保護(hù)功能,無論輸入電壓如何建立,只有在輸入電壓達(dá)到一定值時(shí)電源模塊才啟動(dòng)工作,保證輸出電壓的建立時(shí)間不變.由于欠壓保護(hù)有回差控制,保證了在開啟和關(guān)閉時(shí)的穩(wěn)定和可靠.即使輸入端引線過長線壓降過大,使電源在上電和掉電引起輸入電壓在欠壓點(diǎn)附近的跌落和上升,也不會(huì)使輸出產(chǎn)生異常.欠壓保護(hù)的回差控制是保證輸入開啟電壓高于關(guān)閉電壓,一般情況開啟電壓高于關(guān)閉電壓0.5Vdc--2Vdc左右,這與具體型號(hào)有關(guān).?

　　3.2 輸出限流和短路保護(hù)?

　　電源模塊都具備輸出限流和短路保護(hù)功能,當(dāng)輸出短路或過載狀態(tài)消除后,輸出可以自動(dòng)恢復(fù)正常.輸出過流點(diǎn)是模塊內(nèi)部設(shè)定的,使用者不能從外部改變.用戶須注意在過熱的條件下,如果長期工作在過載或短路狀態(tài)下,電源模塊有可能損壞,這取決于模塊的殼溫和散熱條件及型號(hào),尤其對(duì)沒有過溫保護(hù)的電源模塊.?

　　輸出短路和過載時(shí)電源模塊的功耗是決定其能否長期工作于此種狀態(tài)的主要條件.輸出短路時(shí)絕大多數(shù)型號(hào)的電源模塊工作在間歇模式,輸入的平均功耗很低;輸出過載時(shí)電源模塊工作在限流方式,一般條件下限流保護(hù)點(diǎn)在120%標(biāo)稱輸出電流附近,此時(shí)的輸出功率最大,模塊的功耗也很大,應(yīng)注意避免長期工作于此狀態(tài),輸出限流保護(hù)點(diǎn)的電流值會(huì)隨輸入電壓而有些變化,一般情況下會(huì)隨輸入電壓降低而減小,隨輸入電壓升高而增大,不同系列的型號(hào)產(chǎn)品會(huì)有差異,在使用時(shí)須注意.?

　　3.3關(guān)于輸出過壓保護(hù)?

　　電源模塊的輸出過壓保護(hù)采用了一個(gè)獨(dú)立的反饋環(huán)路,一般的保護(hù)值是在標(biāo)稱輸出電壓的120%至140%.當(dāng)過壓檢測電路發(fā)現(xiàn)輸出端有過壓,它給輸入側(cè)發(fā)出信號(hào)使模塊關(guān)閉輸出.但它不是鎖存狀態(tài)不需外部復(fù)位,模塊在短暫的關(guān)閉輸出之后再重新啟動(dòng),輸出電壓在原邊的軟啟動(dòng)控制下重新建立.如果過壓是外部產(chǎn)生的并已消失,模塊將正常運(yùn)行如果過壓條件還持續(xù),模塊將再次關(guān)閉輸出并重新啟動(dòng),這樣將維持在關(guān)閉和啟動(dòng)的重復(fù)狀態(tài).如果要求輸出電壓的波動(dòng)較小,不允許上述情況,建議在外部加一個(gè)電壓監(jiān)測,通過模塊的遙控端(Rem)來關(guān)閉輸出.在大多數(shù)的應(yīng)用情況下使用者都在輸出加了一定容量的電容,模塊的關(guān)閉與開啟不會(huì)在輸出引起太大的變化,輸出電壓基本上維持在過壓門限附近.?

　　小功率的電源模塊大多數(shù)在輸出端并聯(lián)穩(wěn)壓、吸收二極管之類的保護(hù)器件.出現(xiàn)過壓時(shí)二極管可以吸收部分能量.如果過壓維持時(shí)間過長,使二極管無法吸收,則二極管被擊穿短路,使輸出電壓變得很低.此種保護(hù)是以模塊的損壞為代價(jià)來保護(hù)用戶設(shè)備的.輸出過壓保護(hù)門限值是模塊內(nèi)部設(shè)定的,不能用Trim端改變.?

　　3.4溫度保護(hù)?

　　功率為50W以上的鋁基板結(jié)構(gòu)電源模塊一般都有內(nèi)部過溫保護(hù)功能.當(dāng)基板溫度達(dá)到100℃-110℃時(shí)模塊將關(guān)閉輸出;當(dāng)基板溫度降回正常范圍或95℃以下時(shí)模塊將自動(dòng)恢復(fù)正常輸出,而不需要人工復(fù)位.?

　　4、關(guān)于電源模塊的散熱?

　　電源模塊在工作時(shí)內(nèi)部將產(chǎn)生熱量,會(huì)使殼溫上升,因此如何保證殼溫在允許的范圍內(nèi)并使其溫升盡可能低是提高其可靠性的關(guān)鍵,模塊散熱主要通過自然對(duì)流、強(qiáng)制風(fēng)冷、安裝散熱器的方法,或其中幾種的組合.對(duì)小功率的模塊,設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮自然散熱,功率基本上是40W以下.在使用時(shí)主要考慮其安裝環(huán)境,使其周圍有對(duì)流的空間,使用功率有一定的降額,并在實(shí)際的最高環(huán)境溫度下監(jiān)測殼溫.對(duì)40W以上或有散熱器安裝孔的模塊,必須考慮強(qiáng)制風(fēng)冷或安裝散熱器散熱.基本方法是:先根據(jù)效率門計(jì)算出模塊的耗散功率Pd=Pout/η-Pout,通過最高殼溫Tc和要求的工作環(huán)境溫度Ta,算出外殼到環(huán)境的熱阻=(Tc-Ta)/pd,根據(jù)算出的熱阻選擇合適的散熱器或風(fēng)速,然后根據(jù)散熱器與模塊外殼的導(dǎo)熱材料,必須把外殼至散熱器的熱阻也考慮進(jìn)去.計(jì)算只是考慮散熱的第一步,由于受眾多因素的影響,在選定散熱器與風(fēng)速后必須對(duì)外殼溫度進(jìn)行驗(yàn)證,以便進(jìn)一步的修正.?

　　5、關(guān)于電磁兼容?

　　幾乎所有的電源模塊內(nèi)部都有丌型濾波器,但由于體積的限制其濾波效果比較有限.幾乎所有品牌型號(hào)的電源模塊在通過電磁兼容測試時(shí)都需要外加電容、濾波器或裝置,這也是FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)所允許的.?

　　電源模塊的干擾主要有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾,傳導(dǎo)干擾即有共模噪聲,又有差模噪聲,主要通過電源線傳導(dǎo),可以通過共模濾波器和丌型濾波器來抑制,具體見圖14和圖15說明.?

　　6、結(jié)束語?

　　上述是新型DC-DC模塊串并聯(lián)應(yīng)用與實(shí)例介紹,而各個(gè)DC-DC模塊其應(yīng)用特性會(huì)有側(cè)重或不同,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)要求作出選擇.?