一文了解二次電源模塊的應(yīng)用技巧！

二次電源模塊的應(yīng)用技巧

1摘要

二次電源DC/DC模塊廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、程控設(shè)備、儀器儀表、通訊系統(tǒng)和分布式供電系統(tǒng)中，將24V或48V直流變換到所需的2.5V、3.3V、5V、9V、12V、15V等電壓等級(jí)?，F(xiàn)市場(chǎng)上有很多DC/DC模塊都具有高穩(wěn)壓精度、高效率、高可靠性、低的紋波和雜音，給用戶(hù)提供了極大的選用余地。但由于模塊的結(jié)構(gòu)和性能不盡相同，在應(yīng)用時(shí)為了更好發(fā)揮模塊的性能，設(shè)計(jì)出更加合理的電源板，需要使用一些技巧。

2模塊選用準(zhǔn)則

用戶(hù)在選用模塊時(shí)通常首先關(guān)心的是模塊能否滿(mǎn)足負(fù)載能力，這需要根據(jù)實(shí)際的負(fù)載條件選用相應(yīng)的模塊。首先要考慮輸入電壓范圍，以確定選用24V系列還是48V 系列；其次是考慮所需的輸出電壓，計(jì)算出額定負(fù)載時(shí)所需的功率，就可確定對(duì)應(yīng)的模塊型號(hào)。如果用戶(hù)所需輸出電壓或功率恰好符合我司模塊的輸出電壓或功率等級(jí)，則不需對(duì)模塊進(jìn)行更改，否則需對(duì)模塊輸出電壓進(jìn)行微調(diào)或者采取輸出串、并聯(lián)措施達(dá)到要求。

3輸入輸出濾波

考慮到輸入直流電源與模塊之間的相互影響和EMC性能，還有對(duì)負(fù)載的影響，通常在使用模塊時(shí)都要在模塊的輸入輸出端加上濾波措施。推薦使用以下濾波電路形式，調(diào)整不同的參數(shù)后能夠達(dá)到所需的濾波效果。

圖1 輸入、輸出濾波電路

以上濾波電路僅在DC/DC模塊輸出功率比較大且對(duì)雜音、EMI要求比較嚴(yán)格的情況下適用。其中Y電容（共模電容）選用范圍為1000pF～4700pF，電解電容根據(jù)不同模塊選用47uF～2200uF，X電容則在0.01～1uF之間，電感的感量在10uH～100uH之間。普通情況下，可以去掉濾波電感和Y電容，輸入和輸出分別只需加上一電解電容和X電容即可，且X電容應(yīng)盡量靠近模塊的端口。

4CNT電路的控制

CNT端子作為控制端，可以不直接開(kāi)關(guān)輸入電源而使模塊的輸出電壓“ON”和“OFF”，也就為計(jì)算機(jī)對(duì)模塊進(jìn)行遙控開(kāi)關(guān)機(jī)提供了條件。CNT的工作電平有高和低兩種，應(yīng)分別根據(jù)具體的模塊設(shè)計(jì)對(duì)CNT的控制電路，由于CNT端工作時(shí)電流較小，可以采用光耦或繼電器或晶體管來(lái)控制CNT的建立。由于許多電路需要在輸出出現(xiàn)過(guò)欠壓時(shí)要關(guān)閉模塊，因此需從輸出部分將輸出信號(hào)引到對(duì)CNT的控制部分來(lái)；如果輸入與輸出間有絕緣的要求，則采用光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則用繼電器或晶體管也可。

對(duì)于沒(méi)有CNT端子的模塊，就需要采用繼電器或晶體管等來(lái)實(shí)現(xiàn)它的通斷控制，利用輸入或輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器或晶體管來(lái)切斷輸入電壓。

5軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

隨著DC/DC模塊功率的增大，或者是多個(gè)DC/DC并聯(lián)的使用，輸入濾波電解電容的容量的增大就必然引起瞬間輸入電流的增大。在輸入電壓加入的瞬間，Vin的負(fù)載就是輸入電解電容的等效串聯(lián)電阻R =1/(1/Resr1+1/Resr2+1/Resr3……+1/Resrn)。電解電容的等效串聯(lián)電阻很小，所以充電電流非常大。此充電電流會(huì)引起輸入電壓的波動(dòng)，特別嚴(yán)重的是在熱插拔時(shí)還會(huì)引起連接器的損壞。為了防止充電電流過(guò)大，有必要加入軟啟動(dòng)電路。電路形式如圖2。

圖2 軟啟動(dòng)電路

圖2中的A、B兩種電路都能實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流的限制，合理的選擇RC來(lái)確定充電的時(shí)間，限流電阻起限制最大電流的作用，啟動(dòng)時(shí)的瞬間功率比較大。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮B電路Q(chēng)1（MOS管）的散熱問(wèn)題，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)，較大的輸入電流通過(guò)Q1的D、S極，使Q1有一定的功耗。因此推薦使用Rdson小的MOS管。

6電源的備份冗余設(shè)計(jì)

在通訊或別的領(lǐng)域里，常常要求電源的不間斷。備份冗余設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)電源不間斷供電的一種有效方式。系統(tǒng)電路如圖3。

圖3 冗余系統(tǒng)電路

圖中電容C1、C2的容量遠(yuǎn)大于電容C3，這樣帶電拔插A（或B）電源板時(shí)由于C3較小，正常電源板B（或A）的模塊由于隔離二極管的作用，不會(huì)對(duì)C1或C2充電，就不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流，正常電源板就不會(huì)因其它電源板的插拔時(shí)出現(xiàn)瞬間充電電流和瞬間掉電。如是電容加在隔離二極管之后，電容的等效電阻很小，在電源板插入瞬間，會(huì)有大的沖擊電流，與電容并聯(lián)的負(fù)載RL也有瞬間電壓下降。

如果設(shè)計(jì)的電源需要另外加入輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路，電壓的取樣點(diǎn)應(yīng)取在隔離二極管之前，防止一路電源輸出電壓過(guò)高時(shí)關(guān)閉其余正常路工作電源。由于隔離二極管在輕載和滿(mǎn)載時(shí)的管壓降不同，會(huì)影響保護(hù)點(diǎn)在輕載與滿(mǎn)載時(shí)的不一致，所以設(shè)計(jì)時(shí)要按重載時(shí)的過(guò)、欠壓點(diǎn)來(lái)考慮。

7輸入端反極性保護(hù)

模塊使用手冊(cè)推薦的防反接保護(hù)有兩種電路形式，見(jiàn)圖4。

圖4 輸入端反極性保護(hù)電路

圖中兩種電路形式都能對(duì)電源極性反接進(jìn)行可靠的保護(hù)。A圖是以損壞保險(xiǎn)管為代價(jià)的反接保護(hù)，當(dāng)電源反接時(shí)，D1導(dǎo)通，則F1熔斷，故D1的電流應(yīng)大于F1的保護(hù)電流，否則D1燒壞后起不到保護(hù)作用。B圖在電源反接時(shí)，D1不導(dǎo)通，此時(shí)D1的反壓值應(yīng)大于輸入電壓值的5倍?？紤]功耗和散熱問(wèn)題，當(dāng)輸入電流較大時(shí)，應(yīng)用A電路對(duì)反接進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電流較小時(shí)，應(yīng)用B電路來(lái)保護(hù)。

8過(guò)流鎖死保護(hù)后的重新啟動(dòng)

多數(shù)產(chǎn)品的過(guò)流、短路保護(hù)是可以自恢復(fù)的，也有少數(shù)產(chǎn)品在電流保護(hù)后會(huì)觸發(fā)輸出欠壓保護(hù)電路，輸出被切斷，必須重新開(kāi)機(jī)，或者在RST端施加復(fù)位信號(hào)，輸出才能恢復(fù)供電。這樣的產(chǎn)品如實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)功能，就必須增加應(yīng)用電路。參考電路如圖5：

圖5 重啟動(dòng)電路

圖中IC6為NE555芯片，電源輸出由于電流過(guò)大而關(guān)閉時(shí)，產(chǎn)生一啟動(dòng)信號(hào)，輸出脈沖使RESET端復(fù)位，采用振蕩電路，當(dāng)輸出正常時(shí)停止輸出脈沖波形，這種連續(xù)脈沖使輸出可靠的恢復(fù)。也可以使用其它脈沖電路來(lái)對(duì)RESET復(fù)位。

9輸入、輸出過(guò)、欠壓保護(hù)電路

根據(jù)不同用戶(hù)和電源板的要求，還有在使用多個(gè)模塊的電源板上，為使所有模塊的動(dòng)作點(diǎn)統(tǒng)一起來(lái)，在模塊的外部有時(shí)需加輸入、輸出過(guò)、欠壓保護(hù)電路。另外，如果用戶(hù)所要求的輸入、輸出過(guò)、欠壓點(diǎn)比我們模塊本身的要低，例如對(duì)輸入來(lái)說(shuō)，48V序列模塊的輸入電壓范圍為36～72V，而用戶(hù)只要求輸入范圍為40～60V，也需要增加此電路。

當(dāng)然，外部所加的保護(hù)電路的動(dòng)作點(diǎn)必須在模塊本身的動(dòng)作點(diǎn)之外，否則起不到保護(hù)作用。設(shè)計(jì)此保護(hù)電路時(shí)，若要求保護(hù)動(dòng)作時(shí)有回差，則通常采用LM358或LM393來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槔眠\(yùn)放可以方便地調(diào)節(jié)回差的大??；若要求保護(hù)動(dòng)作后不可恢復(fù)，則一般采用TL431來(lái)實(shí)現(xiàn)。TL431與穩(wěn)壓管相比能夠?qū)崿F(xiàn)很高的精度，且其溫度特性好。常用的輸入、輸出過(guò)、欠壓電路見(jiàn)下圖：

圖6 常用輸入過(guò)、欠壓保護(hù)電路

圖7 常用輸出過(guò)、欠壓保護(hù)電路

在輸入過(guò)、欠壓電路中，應(yīng)注意使運(yùn)放的同相端和反相端所接的電阻大致相等，以達(dá)到阻抗的平衡；二極管的方向應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)放的輸出電平來(lái)確定；運(yùn)放的參考電壓可以用TL431來(lái)提供，其另一端一般都應(yīng)接一0.01uF金膜電容，防止電路中的干擾造成誤動(dòng)作；運(yùn)放的工作電壓由輔助電源來(lái)提供；過(guò)、欠壓點(diǎn)和回差可根據(jù)運(yùn)放的特性來(lái)計(jì)算。

在輸出過(guò)、欠壓電路中，應(yīng)注意使TL431的參考端電路（圖7中的R2和R4支路）的工作電流為1mA左右，且在其參考極與另兩極間分別接上470pF～0.01uF的電容。光耦輸出的控制信號(hào)送到所需的控制點(diǎn)。圖7中的R3不可缺少，它用于給TL431 提供工作電流，若沒(méi)有R3，則該電路的動(dòng)作點(diǎn)漂得很厲害。只要電阻的精度足夠高，就可以實(shí)現(xiàn)很精確的保護(hù)點(diǎn)。

10總結(jié)

總之，模塊在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件和所需達(dá)到的指標(biāo)來(lái)確定是否使用以上各種電路。當(dāng)然，我們推薦的不是唯一的電路，也可以采用其它的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的功能。同時(shí)，考慮到理論與實(shí)踐之間的差別，在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)相應(yīng)調(diào)節(jié)各電路參數(shù)以達(dá)到規(guī)定的要求。還有值得注意的是，成熟的電路若想達(dá)到理想的效果，還與PCB板的布板有關(guān)，必須按照常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)布板，否則，好的電路仍然起不到應(yīng)有的作用。

審核編輯：劉清