DC-DC電源模塊電源的選擇

電源模塊作用是為微控制器、集成電路、數(shù)字信號處理器、模擬電路及其他數(shù)字或模擬負載供電。電源模塊雖然可靠性比較高,但在使用過程也可能出現(xiàn)故障,主要的故障原因分為兩大類:參數(shù)異常和使用異常。下文將分析較為常見的電源模塊參數(shù)異常故障問題,提供相應(yīng)的解決方案,其中的某些故障,您或許也遇到過。

一、輸入電壓過高

針對電源模塊輸入?yún)?shù)異?！斎腚妷哼^高。這種異常輕則導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作,重則會燒毀電路。那么輸入電壓過高通常是哪些原因造成的呢?

l 輸出端懸空或無負載;

l 輸出端負載過輕,輕于10%的額定負載;

l 輸入電壓偏高或干擾電壓。

針對這一類問題,可以通過調(diào)整輸出端的負載或調(diào)整輸入電壓范圍,具體如下所示:

l 確保輸出端不小于少10%的額定負載,若實際電路工作中會有空載現(xiàn)象,就在輸出端并接一個額定功率10%的假負載;

l 更換一個合理范圍的輸入電壓,存在干擾電壓時要考慮在輸入端并上TVS管或穩(wěn)壓管。

二、輸出電壓過低

針對電源模塊輸出參數(shù)異?！敵鲭妷哼^低。這可能會導(dǎo)致整體系統(tǒng)不能正常工作,如微控制器系統(tǒng)中,負載突然增大,會拉低微控制器供電電壓,容易造成復(fù)位。并且電源長時間工作在低輸入電壓情況下,電路的壽命也會出現(xiàn)極大的折損。因此輸出電壓偏低的問題是不容忽視的,那么輸出電壓過低通常是那些原因造成的呢?如下圖1所示。

l 輸入電壓較低或功率不足;

l 輸出線路過長或過細,造成線損過大;

l 輸入端的防反接二極管壓降過大;

l 輸入濾波電感過大。

圖1 輸出電壓過低原因

針對這一類問題,可以通過調(diào)整供電或者更換相應(yīng)的外圍電路來改善,具體如下所示:

l 調(diào)高電壓或換用更大功率輸入電源;

l 調(diào)整布線,增大導(dǎo)線截面積或縮短導(dǎo)線長度,減小內(nèi)阻;

l 換用導(dǎo)通壓降小的二極管;

l 減小濾波電感值或降低電感的內(nèi)阻。

三、輸出噪聲過大

針對電源模塊輸出參數(shù)異?！敵黾y波噪聲過大。眾所周知,噪聲是衡量電源模塊優(yōu)劣的一大關(guān)鍵指標,在應(yīng)用電路中,模塊的設(shè)計布局等也會影響輸出噪聲,那么輸出紋波噪聲過大通常是哪些原因造成的呢?

l 電源模塊與主電路噪聲敏感元件距離過近;

l 主電路噪聲敏感元件的電源輸入端處未接去耦電容;

l 多路系統(tǒng)中各單路輸出的電源模塊之間產(chǎn)生差頻干擾;

l 地線處理不合理。

ZDS2024示波器測試有較大噪聲干擾問題的電源模塊,如圖2所示:

圖2 電源紋波波形圖

針對這一類問題,可以通過將模塊與噪聲器件隔離或在主電路使用去耦電容等方案改善,具體如下:

l 將電源模塊盡可能遠離主電路噪聲敏感元件或模塊與主電路噪聲敏感元件進行隔離;

l 主電路噪聲敏感元件(如:A/D、D/A或MCU等)的電源輸入端處接0.1μF去耦電容;

l 使用一個多路輸出的電源模塊代替多個單路輸出模塊消除差頻干擾;

l 采用遠端一點接地、減小地線環(huán)路面積。

四、電源耐壓不良

針對電源模塊性能參數(shù)異?！娫茨K的耐壓不良。通常,隔離電源模塊的耐壓值高達幾千伏,但可能在應(yīng)用或測試過程中出現(xiàn)不能達到該指標的情況,那么哪些因素會大大降低其耐壓能力呢?

l 耐壓測試儀存在開機過沖;

l 選用模塊的隔離電壓值不夠;

l 維修中多次使用回流焊、熱風(fēng)槍。

用耐壓儀測試電源模塊隔離電壓的方法如圖3所示:

圖3 耐壓測試圖

針對這一類問題,可通過規(guī)范測試和規(guī)范使用兩方面改善,具體如下所示:

l 耐壓測試時電壓逐步上調(diào);

l 選取耐壓值較高的電源模塊;

l 焊接電源模塊時要選取合適的溫度,避免反復(fù)焊接,損壞電源模塊。

五、電源模塊啟動困難

首先是破壞力較小的情況——電源模塊在啟動中出現(xiàn)啟動困難,甚至啟動不了。大家在使用電源模塊過程中可能會出現(xiàn)電源模塊輸出端電壓正常,輸出端就是沒有任何輸出,電源模塊也無損壞,是什么原因呢?具體原因如下所示:

l 外接電容過大;

l 容性負載過大;

l 負載電流過大;

l 輸入電源功率不夠。

針對這一類問題,可以通過調(diào)整輸出端的電容以及負載或調(diào)整輸入端的功率進行改善,具體如下所示:

l 外接電容過大,在電源模塊啟動時向其充電較長時間,難以啟動,需要選擇合適的容性負載;

l 容性負載過大時需先串聯(lián)一個合適的電感;

l 輸出負載過重時會造成啟動時間延長,選擇合適負載;

l 換用功率更大的輸入電源。

六、模塊發(fā)熱嚴重

較啟動困難而言,更為嚴重的使用異常情況是電源模塊在使用的時候發(fā)熱很嚴重。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因是由于電源模塊在電壓轉(zhuǎn)換過程中有能量損耗,產(chǎn)生熱能導(dǎo)致模塊發(fā)熱,降低電源的轉(zhuǎn)換效率。這會影響電源模塊正常工作,并且可能會影響周圍其他器件的性能,這種情況需要馬上排查。那么什么情況下會造成電源模塊發(fā)熱較嚴重呢?具體原因如下所示:

l 使用的是線性電源模塊;

l 負載過流;

l 負載太小:負載功率小于模塊電源輸出功率的10%,都會有可能會導(dǎo)致模塊發(fā)熱(效率太低);

l 環(huán)境溫度過高或散熱不良。

熱成像儀觀測下的發(fā)熱電源模塊如圖4所示:

圖4 電源模塊熱成像圖

針對這一類問題,可以通過外在環(huán)境的優(yōu)化或通過調(diào)整負載來改善,具體如下所示:

l 使用線性電源時要加散熱片;

l 提高電源模塊的負載,確保不小于10%的額定負載;

l 降低環(huán)境溫度,保持散熱良好。

七、模塊電源損壞較快

那么比電源模塊發(fā)熱更為嚴重的使用異常情況自不必多說,那就是這個電源模塊直接損壞了。那么電源模塊使用沒多久就損壞,并且更換后沒幾天又壞了,這是什么原因?qū)е碌哪?首先需要排除掉是否是使用劣質(zhì)的電源這一情況,那么還有哪些因素會導(dǎo)致這一問題呢?具體原因如下圖5所示:

l 輸出負載過輕使其可靠性降低所致;

l 輸出端電容過大導(dǎo)致模塊啟動時造成損壞;

l 輸入端電壓長期偏高導(dǎo)致模塊輸入端開關(guān)管損壞。

圖5 電源模塊損壞

這一類問題也是負載不匹配導(dǎo)致的,可以通過改變輸出負載、電容或者改變合適的輸入電壓通過改善,具體如下:

l 確保輸出端不小于少10%的額定負載,若實際電路工作中會有空載現(xiàn)象,就在輸出端并接一個額定功率10%的假負載;

l 選取符合電源模塊技術(shù)手冊規(guī)格的電容;

l 選擇合適的輸入電壓。

八、電源模塊上電后快速燒毀

較于上一種電源模塊損壞的情況而言,更可怕的情況就是,不僅壞了電源甚至把整個電路都燒毀了。具體的現(xiàn)象就是電源模塊剛上電就燒毀冒煙了,輸入端的電容炸裂,如圖6所示,這一類問題是最為嚴重的,需要在前期設(shè)計中盡量避免,那么若是已經(jīng)發(fā)生了這一情況,它到底是什么原因?qū)е碌哪?具體如下所示:

圖6 電源模塊燒毀

l 輸入電壓極性接反了;

l 輸入電壓遠遠高于標稱電壓;

l 輸出端極性電容接反了;

l 輸出電路易引起短路或者外接負載在上電瞬間存在大電流。

這一類問題是最為嚴重的故障,需要重新檢查一遍電路進行相應(yīng)優(yōu)化或者調(diào)整電壓,具體如下所示:

l 接線前注意檢查或加防反接保護電路;

l 選擇合適的輸入電壓;

l 上電前檢查電容極性,確保正確;

l 在電源模塊輸出端加短路保護。來源:ZLG致遠電子