用高密度DC/DC模块设计电源系统应注意的几个问题

　　电源系统设计人员正承受巨大的压力，面临要降低成本，缩短产品上市时间，提高电源系统的通用性和可靠性等一系列问题，而且常常缺乏有效的资源，正是由于这些问题，使得组件式电源系统成为众多市场和应用领域的首选，因此DC/DC模块成为电源系统中的核心组件。VICOR作为专业的电源模块设计，生产制造公司，已经推出了一系列的高密度电源模块，如：AC/DC，DC/DC等(如图1)，它采用零电流开关技术提高了电源的效率，降低了噪声，方便了使用，让设计人员以合理的成本获得前所未有的功率密度性能。

　　采用电源模块设计的电源系统在设计上通常比分立元件更简单，更快速。然而，许多设计问题仍有待解决，某些问题(如热处理和噪声管理)与传统设计是类似的，而其他问题则是组件式电源设计特有的。

　　热处理对任何系统都是一大难题。当然，某些对策可使问题处理简单化。一种分布式方案(不是集中结构)将热量分散在整个系统，降低了散热器和高速气流的要求。倘若整个系统的温度十分均匀，可靠性指标是不难满足的。当然，如果系统未提供空气对流，或环境温度较高，散热器是必需的。风扇提供的气流能简化电源的设计，但冷却风扇会增加噪声，降低了可靠性，除非采取相应的措施。

　　对工作于高达50℃环境温度的对流冷却整流器，可用直接计算来确定散热器尺寸。散热器最坏情况耗散的功率由下式给出：

　　Pdiss=Po×(1-η)/η （1）

　　Pdiss是耗散功率，Po是输出功率，η是效率。在全功率工作下，工作效率90%的600W变换器需耗散67W。然后，可计算散热器至空气的热阻(qsa）：

　　qsa =[(Tbase-Tambient)/Pdiss]-qbs (2)其中Tbase 是基板温度，Tambient是最坏情况的环境温度；qbs 是表面界面的热阻(对导热衬垫或导热膏，约为0.1℃/W),Pdiss是最坏情况下的功率耗损。假设基板最高工作温度为100℃，环境温度为50℃，则

　　qsa =[(100-50)/67]-0.1=0.64℃/W

　　散热器生产厂提供各种曲线图表，根据热阻来确定所需的散热器表面面积。典型地，对0.64℃/W热阻值，约需100in2的散热器。

　　如果嫌该尺寸过大，可考虑将变换器附着在机箱壁一类冷却板上。另一个方法是，强制通风冷却可使用较小的散热器。在上述例子中，1，000ft/min 对流能将散热器面积减少至10in2。

　　电磁干扰是开关电源和电源系统设计人员面临的主要设计问题。必须考虑各种噪声：传导、辐射、共模和差模噪声。尽管本文不可能涉及这个复杂课题的各个方面，但将讨论某些主要方面。例如，任何设计需要良好的电气和机械设计与布局(合适的铜线宽度，尽量缩短导线强度及去耦以便减少噪声）。

　　共模噪声是要解决的最重要系统噪声问题。在DC-DC变换器中，共模噪声是初级与次级间流通的电流引起的。它是主开关器件和输入—输出耦合电容上电压瞬变过程的函数。采用零电流或零电压开关结构能极大地减少主开关瞬变电流。ViCOR第二代模块中新型磁芯采用电镀空腔型铁芯，其初级绕组和次级挠组距离较远，耦合较松，具有极低的输入—输出寄生电容，因而具有极低的共模噪声。

　　有时也需要附加滤波器来满足传导噪声的规范要求，如FCC法规，Part 15和EN55022(国际）。采用固有的低噪声部件使该项任务简单化。使用扼制共模和差模的简单滤波器和Y型电容，第二代变换器极易满足这些规范的要求。

　　辐射(EMI)是系统噪声的又一种来源。对常规的开关电源，由于大电流在极短时间内不断接通又断开，极易产生这一类噪声。噪声源周围的屏蔽是常用的解决方案。带六边内屏蔽的模块可进一步减少辐射噪声。

　　电源结构常常用多个电源或多个电源变换器来增加输出功率，或提供故障容错度。故障容错系统应采用或门二极管结构，以便在输出故障条件下将模块隔离。当用电源并联来增加电源和/或N+1冗余度时，被电流分担特性仍是较可取的。

　　相同的独立电源并联工作是获得高功率电源的既可靠又经济有效的方法。如图2,例如，用5个600W Vicor第二代电源模块为2.4KW负载(N+1冗余度)供电，要是5个电源中有一个发生故障，仍能满足系统的电源要求。Vicor第二代变换器有一个PR(并联)引脚，它解决了并联工作时某些技术问题，包括功率共享和真正的故障容错。

　　电流共享的最简单方法是将全部PR引脚互连在一起。电流共享精度通常在±2%以内。可是该方法并非是真正的故障容错系统。如果公共母线对地发生故障，就会使整个阵列瘫痪。幸好Vicor变换器PR引脚上信号实际上是一个脉冲信号，可通过电容或变压器将每个变换器的公共母线隔离开来，从而避免这类失效模式。

　　为了降低多个模块阵列的输入与输出滤波要求。变换器可通过PAC(相阵列控制)接口。PAC集成电路不仅用隔离母线来支持精确电流共享，而且能以360/N度阵列自动调整每个模块的相角，这里N是工作的模块数目及N≤12。若每个变换器交替地开关，阵列的有效开关频率增加了N倍，能大大减少滤波元件的尺寸。

　　要求故障容错度或冗余度的应用也需要热插拔功能，以保证系统的连续工作。例如，通信应用通常需要不间断地工作，这就是说，失效的电源卡应在系统仍处于通电状态下进行更换。

　　热插拔卡应这样设计，其初级参数电位(或提供大量能量的次级电路)不能和用户接触。另外，当模块发生故障时，应有报警电路来检测和识别故障，并将故障通知维修人员。

　　设计也要保护输入电压母线和输出电压母线，避免母线在卡换下时产生瞬变。通常，在故障单元使输入短路的场合，一个大容量电容在故障单元的保险丝被烧断前提供必要的保持时间。但是，在更换的新卡插入时，这些大电容会使输入母线上的电压跌落。该电容可用串联电阻和并联开关(FET或继电器)进行去耦。为了减少效率的损失，并联开关在插入初始是开放的，然后再闭合将串联电阻短路。

　　在热插交换期间，输出的考虑是类似的，或门二极管有助于隔离热交换卡上的电容，避免已处于系统中冗余卡上的相同电容放电。如果输出未使用或门二极管，热交换卡上的输出电容应采用输入母线类似的方法进行隔离。

　　模块化设计能简化机构认证过程，因为绝大多数模块已获得安全性机构认证，如UL、VDE、CSA和TUV。预先取得安全机构认证能极大地节省一个项目的研发时间和成本。

　　电源系统输入与输出间电气隔离是选择过程中最基本的安全性要求。对AC输入或高压DC输入系统，需要隔离来保护最终用户免受危险电压或电流的伤害。隔离型DC-DC变换器具有内部变压器来提供必要的保护，从而简化了系统的设计。非隔离型变换器需要一个外部变压器，将输入电压降低至安全电平，提供AC线路电压的保护。

　　对给定的母线电压，要考虑几个因素。电压越高，功率损耗越低，且导体尺寸也越小。但是安全性标准通常与选用较高母线电压相矛盾。SELV(安全的极低电压，表示一个人能触摸而不会受到伤害的最高电压)是绝大多数国家的要求，它限定了人身所需面对的电压。

　　DC-DC变换器模块的模块化形状因数有助于设计人员使电源适应各种可利用的空间。一个电源可设计或几乎是任意的物理结构，而不只是一个方盒。“行业标准”全尺寸模块封装为2.4×4.6×0.5in;也提供半尺寸和四分之一尺寸的封装。

　　DC-DC变换器模块有多种标准的输入电压、输出电压和输出功率的组合，以及任意的特殊组合。某些模块以相同的物理封装、相同的引脚提供各种功率电平。这样，如果指标改变要求更大的功率，比如输出从100W增加到150W，则可改用较高的功率模块，而使设计更改保持在最低限度。■（东华译）


摘自《电子产品世界》