DC/DC模塊電源的選擇應用及故障分析

陜西寶成航空儀表有限責任公司 王建琴 李坤武

國內模塊電源目前已經形成系列化、標準化和市場化。產品一般采用厚膜或薄膜混合集成工藝，技術水平已達國際先進水平。憑借其工作溫度范圍寬、體積小、重量輕、可靠性高、使用方便等特點，在國防工業高可靠電子系統及民用工業設備自動控制系統中得到廣泛的應用。做好前期的優選工作，在電源設計、系統調試方面可起到事半功倍的效果。不僅可以提高電子整機系統的設計水平和使用可靠性，而且可以極大地縮短產品的研發周期。本文著重從模塊電源選擇、應用的角度，結合近年來軍用模塊電源使用過程中得到的反饋信息，探討一下這方面的問題。

1.模塊電源選擇及應用

為保證電子整機系統設計及使用可靠性，除了考慮模塊電源的電壓轉換功能外，還要考慮質量等級、封裝形式、體積大小、工作環境、工作頻率、隔離電壓、保護功能等。

1.1 選擇質量等級

為保證產品可靠性設計要求，盡量選擇高質量等級的模塊電源，但質量等級過高勢必提高成本，所以應選擇與系統相匹配質量等級的模塊電源。

1.2 選擇額定功率

根據設計輸入要求選擇適合額定功率的模塊電源。依據降額原則通常實際使用功率選擇額定功率的30～80%，實踐證明工作在這個范圍內各項性能穩定、失效率低、可靠性高。具體功率降額多少以系統各部位具體情況而定，同時還要考慮最小負載，通常最小負載應不小于10%額定負載，也可參照各生產廠家產品具體規定。

1.3 選擇封裝形式

目前模塊電源的封裝形式有很多，有符合國際通用標準的；有符合國標、國軍標、企軍標、行業標準的；也有非標準和特殊訂制的。對同一廠家產品，功率相同有不同封裝產品，功率不同有相同封裝產品。對不同生產廠家，模塊電源更是封裝種類繁多。有部分符合國際標準，相互之間可兼容、可互換；但有些產品屬非標或定制產品不可互換。在功率已確定、空間位置不確定情況下，盡量選體積小的，給系統其它部分留出盡可能多的空間以便實現更多功能；在功率和空間位置都確定的情況下，盡量選擇體積較大的，這樣有利于散熱，提高其工作可靠性，延長使用壽命；盡量選擇符合通用標準封裝的產品，這樣兼容性、互換性好，也不會造成唯一供應商；應選擇具有發展前途和擴展性好的產品，對以后系統擴容、產品升級和更新換代做好鋪墊。

1.4 選擇使用溫度范圍與降額

模塊電源生產廠家一般都有多個溫度范圍產品，可以滿足不同使用場合選擇的要求。如商品級（0℃到+70℃）、工業級（-40℃到+85℃）、軍用級（-55℃到+125℃），在選擇時要根據系統工作環境去選擇，一定要考慮實際需要的工作溫度范圍。不要為節約成本選擇勉強符合工作溫度要求的產品，必然會造成產品后期工作隱患；但也不必選擇溫度范圍要求過高的產品，這樣也會造成設計及生產成本增加，也是不明智的做法。一是綜合考慮使用功率和封裝形式兩個方面，在封裝形式確定的情況下實際使用功率如果已經接近額定功率，模塊電源的溫度范圍要嚴格把控，并留出裕量；其次是工作溫度范圍和額定功率都確定的情況下，系統設計空間允許時選擇封裝體積較大一些的產品，這樣表面散熱快一些，工作時溫升相對會慢一點。

1.5 選擇工作頻率

評價一種模塊電源動態響應工作性能如何，主要考核它的輸出紋波噪聲，即輸出紋波電壓與輸出紋波電流越小越好。要滿足輸出紋波噪聲小，就得提高模塊電源工作頻率，即工作頻率越高，紋波噪聲越小。但工作頻率越高對制造它的磁性材料要求也越高，制造成本自然也會增加。所以選擇時一定要分清使用場合，高要求應用選擇高開關頻率的模塊電源，低要求應用選擇低開關頻率的模塊電源，宗旨是必須滿足變負載條件下動態響應的各項技術指標。

1.6 選擇隔離電壓

模塊電源的隔離電壓越高，其漏電流會越小，可靠性、安全性也會更好一些，它的電磁兼容性能也會更好。大多數情況對隔離電壓要求并不是很高。一般這種具備高隔離電壓的模塊電源應用在有特殊要求的場合，但制造材料成本也相對會高些，價位也相應高。選擇時也要根據情況慎重選擇。

1.7 選擇故障保護功能

模塊電源的保護功能主要包括輸入時保護過壓、欠壓、軟啟動等；輸出時保護過壓、過流、短路等；系統內部若有大功率發熱器件還需要考慮過溫保護功能等，使用條件不同，選擇也各不相同。設計人員要依據電子整機系統需要實現的各種功能慎重選擇具有相應保護功能的模塊電源。

查閱發生故障的模塊電源失效分析報告數據，模塊電源失效的主要原因主要是選擇使用不當、外部電路中高電壓、大電流及短路引起的損壞。大致有以下情況：輸入端極性加反或輸入端短路引起過流導致內部輔助電源穩壓管、三極管鍵合金絲熔斷，致使模塊電源失效無輸出；輸出端發生短期過載現象，導致MOS管鍵合金絲過流熔斷，電源失效無輸出；模塊電源本身保護功能較為靈敏，帶電子負載加滿載（輸出電流短時間內達到極限值）時，加電瞬間易形成保護，導致模塊電源無輸出。選用此種模塊類型時需要將電子負載改為阻性負載，即可避免加電瞬間保護現象發生。為提高系統的使用可靠性，降低失效率，要根據實際情況選擇適合特定系統的保護功能的模塊電源，實現外部電路出現故障時自動進入保護狀態避免損傷，外部隱患排除后又能自動恢復進入正常工作狀態。

2.模塊電源應用注意事項

2.1 考慮最小負載限制

模塊電源一般都有最小負載限制，不同生產廠家有所不同，通常基本限定為10%左右。產品調試過程中發現負載太輕時會造成輸出電壓極其不穩定，但實際使用中經常有輕載甚至空載的情況出現，可增加適當的假負載來處理，一般設置值為輸出功率的2%左右；也可在訂貨時要求廠家在制造時預置在模塊電源內部，但要以降低效率作為代價；也可在模塊電源外部附加定值的電阻作為負載；也可選擇沒有最小負載限制的電路拓撲來實現從空載到滿載的使用要求。

2.2 多路輸出中功率分配考慮

多路輸出模塊電源選擇時一定要考慮不同路輸出之間的功率分配。對雙路產品，分兩種類型：一種兩路負載是平衡的，兩路電流基本相同；另一種是負載不平衡的類型，即主路電流大、輔路電流小。對于不平衡負載類型，參考實際應用應選擇輔路與主路功率之比為1/5～1/2，這樣才能保證輔路的電壓穩定性（±5%），否則輔路電壓就會有較大偏差。系統兩路負載若平衡就選擇對稱負載設計的模塊電源；若系統兩路負載不平衡，就不要選用平衡負載型模塊電源，會導致輔路電壓達不到要求精度。

2.3 模塊電源的發熱考慮

模塊電源通電工作時，內部所有元器件會同時發熱，若是系統器件分布密集散熱條件差有可能導致工作溫度超過器件結溫引起內部元器件燒毀，直接影響模塊使用壽命。器件工作時損耗產生發熱是不可避免的，可根據具體情況在電源外部加裝散熱器來降低溫升；在工作環境溫度高、散熱條件極差的部位也可選用自身帶有散熱裝置的電源模塊，必要時加裝風扇強制散熱；遵照降額原則，在不影響使用功能和系統空間占用限制的情況下選擇體積較大、額定功率較大的模塊電源，盡量降低功耗引起的模塊電源自身發熱導致失效的情況，最大限度保證其正常使用壽命。

另外，模塊電源加電時應正確的連接電源的正負極，保證正確供電，以避免反接燒毀；做電性能測試時，檢測位置應為模塊電源引出腳根部；裝配時，底部應緊貼電路板，以避免引腳受損，必要時應增加防震措施；引出線避免彎曲，防止絕緣子破裂，影響密封性能；禁止端引腳不用時應懸空。

3.模塊電源常見故障

現在的設計及制造工藝使得模塊電源的可靠性較以前已有很大提高，但也不排除會有故障發生，通常出現的故障有以下幾種情況：通電后，不工作，無輸出；輸出電壓降低，達不到正常輸出值；輸出電壓過高，超出正常輸出值；輸入短路，造成輸入電流超額；輸出電流太大導致的過流現象。

模塊電源無輸出或輸出電壓過低這兩種故障給器件本身及整機系統不會帶來太大損害，可通過電路排查檢測不難判斷出來；但是輸出電壓過高、輸入電流過大及輸出電流過大就比較危險了，它可以直接燒毀模塊電源本身及周邊器件甚至損壞電子整機系統，造成不可估量的損失。后三種故障可在設計時預先增加過壓保護、過流保護、電路前后級增加抗浪涌電路來應對，過壓保護功能可通過增加穩壓二極管或選擇自帶穩壓功能的模塊電源來實現，現在大多數模塊電源都有一定的過壓過流保護功能，但使用效率要相對低一些，選擇時也要考慮到這點。

4.結束語

模塊電源要優先選用經實踐證明質量穩定、可靠性高、有發展前途的器件；選用符合國軍標、部軍標、企軍標通用的技術成熟的器件；在最大滿足質量可靠要求的前提下，性價比相當時，優先選用國產器件。模塊電源只有慎重選擇、合理使用才能使其卓越優異性盡致發揮，使得模塊電源使用可靠性得以極大保障，同時電子整機系統的設計和使用可靠性才能得以保證。

[1]國產軍用電子元器件產品手冊.

[2]43所產品數據手冊.