1. DC_DC電源模塊在電力行業(yè)中的作用？

       DC-DC隔離模塊電源主要應(yīng)用于電力分布式電源系統(tǒng)中，用以對(duì)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隔離降噪、電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓和保護(hù)功能。簡(jiǎn)要介紹如下：

       其一，模塊電源采用隔離式設(shè)計(jì)，可以有效的隔離來自一次側(cè)設(shè)備帶來的共模干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響，使負(fù)載能夠穩(wěn)定的工作。電力行業(yè)主網(wǎng)由于負(fù)載眾多，相互的干擾易導(dǎo)致控制系統(tǒng)的工作紊亂，良好的隔離設(shè)計(jì)可以解決大部分應(yīng)用難題。

       其二，不同的負(fù)載需要不同的供電電壓，例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等；信號(hào)采集用的運(yùn)放則需要±15V；繼電器則需要12V，24V。而母線電壓多為24V，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

       其三，母線電壓在長距離傳輸過程中會(huì)存在線損，故到PCB板級(jí)時(shí)電壓可能較低，而負(fù)載需要穩(wěn)定的電壓，因此需要寬壓輸入，穩(wěn)壓輸出。

       其四，電源需要在異常情況下，保護(hù)系統(tǒng)的負(fù)載和本身不壞。

       那么，如何選擇DC-DC模塊電源？

2. 電力行業(yè)如何選擇高可靠性的DC-DC模塊電源

       電力行業(yè)由于電網(wǎng)的復(fù)雜性，其對(duì)于DC_DC電源的需求也呈現(xiàn)多樣性，下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)選型要點(diǎn)：

2.1 低空載功耗

       電力行業(yè)某些監(jiān)控設(shè)備只有在異常時(shí)動(dòng)作，并需要較大功率，其正常工作時(shí)長期處于待機(jī)狀態(tài)，例如FTU、抗晃電模塊等。此類系統(tǒng)大多采用蓄電池做為備用電源，如果DC_DC模塊電源空載功耗過高則會(huì)導(dǎo)致蓄電池續(xù)航時(shí)間不長、過早損壞等問題。例如在某抗晃電模塊項(xiàng)目中，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)失壓時(shí)，電源模塊需要在1.5秒內(nèi)提供約20W功率給繼電器供電，但是大部分時(shí)間，繼電器不動(dòng)作，系統(tǒng)接近空載。 此時(shí)，蓄電池的能量都被DC/DC消耗掉，電源空載功耗越大，電池續(xù)航時(shí)間越短。為了延長電池的續(xù)航時(shí)間，要求電源的空載功耗不得高0.3W，而市面上20W電源的空載功耗一般在0.5W-1.5W左右。 金升陽URB2424LD-20WR3采用變頻技術(shù)，空載功耗約0.12W，滿足了應(yīng)用需求。

2.2全負(fù)載范圍內(nèi)高效率

       如上文所述，電力行業(yè)很多設(shè)備長時(shí)間處于輕載甚至空載狀態(tài)下，所以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的高效率對(duì)于電源系統(tǒng)可靠性來說意義重大，但這點(diǎn)卻往往被大部分電源廠商忽略，很多廠商為了讓技術(shù)參數(shù)更有吸引力，常常將滿載效率做到很高，但在5%-50%的輕負(fù)載情況下效率較低，這會(huì)導(dǎo)致電源模塊實(shí)際工作溫升偏高，導(dǎo)致一系列熱設(shè)計(jì)問題。其實(shí)對(duì)于電源系統(tǒng)來說，全范圍高效率意味著更低的功率損失和溫升，可以有效提高系統(tǒng)可靠性，因此在電源選型時(shí)需要特別注意其在空載和輕負(fù)載條件下對(duì)應(yīng)的效率曲線。

       令人欣慰的是現(xiàn)在越來越多的電源廠商關(guān)注到了全負(fù)載范圍內(nèi)高效率的重要性，以廣州金升陽科技的10W DC-DC模塊電源URB2405YMD-10WR3為例，其在額定電壓24V輸入時(shí)輕載5%的效率（黑色線）比主流行業(yè)水平（紅色線）高出16%，如圖1所示。

2.3 高隔離電壓、低隔離電容

       一般工控行業(yè)DC-DC電源模塊的隔離電壓只需要1500VDC就可以了，但是電力行業(yè)的控制系統(tǒng)一般選擇的耐壓在3000VDC及以上的電源模塊，以確?？刂葡到y(tǒng)不受外界影響。

       如是電力電子產(chǎn)品還需要注意原邊和次級(jí)之間盡量少寄生電容，即要求選擇盡量低隔離電容的電源模塊，用以降低共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。一般而言，驅(qū)動(dòng)器供電的1-2W非穩(wěn)壓開環(huán) DC_DC建議選取隔離電容低于10pF的，而閉環(huán)設(shè)計(jì)的DC-DC則盡量選取隔離電容低于150pF的。

2.4 快速啟機(jī)

       某些電力應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于電源模塊的啟動(dòng)時(shí)序有嚴(yán)格要求，我們?cè)?jīng)處理過一個(gè)案例。   客戶在其電力控制柜項(xiàng)目中需要用到±15V，10W（信號(hào)采集）和12V，10W（控制器供電）兩款電源，采購某品牌電源，系統(tǒng)一直通訊不良，且一直未找到問題所在。最后客戶尋求金升陽公司FAE支持，經(jīng)分析這兩只電源啟動(dòng)延遲時(shí)間分別為370ms、350mS，因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)先于控制系統(tǒng)上電導(dǎo)致通信系統(tǒng)工作紊亂，癥結(jié)在于控制系統(tǒng)供電的電源模塊上電時(shí)間過慢導(dǎo)致。換用金升陽URA2415YMD-10WR3、URB2412YMD-10WR3，啟動(dòng)時(shí)間在20ms左右，即解決了客戶問題。 

2.5 EMC特性

       EMC性能是電子系統(tǒng)正常、安全工作的保證，目前電子行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的EMC性能都提出了很高的要求，因EMC處理不好導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)位重啟甚至是早期失效，因此優(yōu)良的EMC特性可以提升電力產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

       金升陽R3系列寬壓DC_DC電源模塊內(nèi)置濾波器，EMI傳導(dǎo)騷擾和傳導(dǎo)輻射裸機(jī)Class A，全系列提供滿足Class B外圍電路。而國際主流同行水平在EMI方面僅傳導(dǎo)騷擾過class A或者需要客戶額外加電容、電感才能通過class A。

2.6 極限溫度特性

       電力行業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用的地理區(qū)域非常寬廣，有處于熱帶的海南的酷暑也有東北冬天的嚴(yán)寒，而且大部分產(chǎn)品處于室外環(huán)境。因此要求DC-DC模塊電源的工作溫度范圍至少為-40℃~+85℃，也有做到更好的，例如金升陽定壓R2系列1-2W工作溫度可以做到-40℃~+105℃。

       極限溫度試驗(yàn)是最能檢驗(yàn)電源模塊可靠性的方法，例如高溫老化、高溫&低溫帶電工作性能測(cè)試、高低溫循環(huán)沖擊試驗(yàn)和長時(shí)間高溫高濕測(cè)試等。正規(guī)的電源開發(fā)都會(huì)經(jīng)過以上測(cè)試。做這些可靠性測(cè)試可以為選型提供重要參考。 

       以上為電源模塊選型提供了幾點(diǎn)建議，當(dāng)然選擇了一款電源還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要注意電源模塊的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。

3. 如何做電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)？

       電源本身的可靠性固然重要，但是實(shí)際上，由于電源系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，最終電源還是會(huì)失效。下面介紹幾種常見的電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法和注意事項(xiàng)。

3.1冗余設(shè)計(jì)技巧

       在可靠性要求高的場(chǎng)合，要求電源模塊即使損壞，系統(tǒng)也不能斷電。此時(shí)，可以采取冗余供電的方式來提升系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)一個(gè)電源模塊損壞時(shí)，另外一個(gè)模塊可以繼續(xù)供電。圖4為其中一種常見的冗余設(shè)計(jì)方案。

       注意事項(xiàng)：D1、D2建議使用低壓降的肖特基二極管，以避免二極管的壓降影響后端系統(tǒng)的工作，并注意選取二極管的耐壓值要高于輸出電壓。這種方法會(huì)產(chǎn)生額外的紋波噪聲，需外接電容來減小紋波或是加濾波電路。

3.2降額設(shè)計(jì)

       眾所周知，降額設(shè)計(jì)可以有效提高電源工作壽命，但是負(fù)載過輕使用，電源的性能又無法工作在最佳狀態(tài)。 例如， DC_DC模塊電源一般建議在30%~80%負(fù)載范圍內(nèi)使用，此時(shí)各方面性能表現(xiàn)最佳。

3.3合理外圍防護(hù)設(shè)計(jì)

       電源模塊應(yīng)用行業(yè)非常多，應(yīng)用的環(huán)境要求也不近相同，因?yàn)槠渫ㄓ眯栽O(shè)計(jì)，DC-DC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當(dāng)客戶的應(yīng)用環(huán)境要求苛刻時(shí)，需要加適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪硖嵘娫吹目煽啃浴?

       以廣州金升陽科技有限公司的20W DC-DC電源URB24XXLD-20WR3為例，單獨(dú)模塊只能通過EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1S測(cè)試，但因?yàn)轶w積原因沒有辦法通過RIA12的標(biāo)準(zhǔn)，通過添加外圍電路（也可以選擇金升陽EMC輔助器FC-AX3D），就能通過RIA12要求的3.5Vin/20mS的等測(cè)試要求，就能被允許應(yīng)用于有RIA12要求的鐵路產(chǎn)品供電場(chǎng)合。

       因此，合理的外圍電路設(shè)計(jì)可以使模塊滿足更高等級(jí)的技術(shù)規(guī)格，使之適應(yīng)更惡劣的應(yīng)用環(huán)境，提升電源模塊的可靠性。

3.4散熱設(shè)計(jì)

       工業(yè)級(jí)的電源模塊的損壞大約有15%是因?yàn)樯岵涣紝?dǎo)致的，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發(fā)展，但是很多應(yīng)用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續(xù)工作的，如果積熱無法散出去，電源內(nèi)部的器件可能因?yàn)槌^熱應(yīng)力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強(qiáng)制性散熱風(fēng)扇等。熱設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)分享如下：

（1）電源模塊的對(duì)流通風(fēng)
       對(duì)于依靠自然對(duì)流和熱輻射來散熱的電源模塊，周圍環(huán)境一定要便于對(duì)流通風(fēng)，且周圍無大器件遮擋，便于空氣流通。

（2）發(fā)熱器件的放置
       如果系統(tǒng)中擁有多個(gè)發(fā)熱源例如多個(gè)電源模塊，相互之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，避免相互之間熱輻射傳遞導(dǎo)致電源模塊過熱。        

                      
（3）合理的PCB板設(shè)計(jì)
       PCB板提供了一種散熱途徑，在設(shè)計(jì)時(shí)就要多考慮散熱途徑。例如加大主回路的銅皮面積，降低PCB板上元器件的密度等，改善模塊的散熱面積和散熱通道，例如電源模塊應(yīng)盡量垂直放置如5所示，可以使熱量盡快向上散發(fā)；如果將DC-DC模塊放在PCB的底部，則向上散發(fā)的熱量會(huì)被PCB阻擋，導(dǎo)致產(chǎn)品積熱無法散發(fā)出去。

（4）更大封裝尺寸和散熱面積
       同樣功率的電源，如果可能盡量選擇尺寸更大的封裝和散熱面更大的散熱器，或者使用導(dǎo)熱膠將電源模塊外殼與機(jī)殼連接。這樣電源模塊擁有更大的散熱面積，散熱會(huì)更快，內(nèi)部的溫度會(huì)更低，電源的可靠性自然也就越高。

3.5匹配性設(shè)計(jì)、安規(guī)設(shè)計(jì)

       電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環(huán)路天線吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線和輸出線需要按照UL60950的安規(guī)要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止布線，特別是信號(hào)線，電源變壓器的電磁線會(huì)對(duì)信號(hào)形成干擾。

       另外需注意的是，關(guān)注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統(tǒng)工作頻率的倍頻錯(cuò)開，避開相互之間的系統(tǒng)匹配性問題。