講講在嵌入式系統(tǒng)設計中進行DC/DC電源模塊選型時遇到的問題

隨著電源模塊的出現(xiàn)與發(fā)展，嵌入式工程師開始從繁重的電源設計工作中解脫出來，但電源模塊的種類也越來越多，我們在日常的電路設計中應該如何考慮選型呢？

目前，電力電子產品被不斷開發(fā)與應用，這其中都離不開電源的設計，電源設計的優(yōu)劣，輕則會影響整個電子產品的性能，重則會影響產品能否正常使用。而電源的設計，又有著專業(yè)程度高、調試周期長、故障排查難等特點。

迪龍：DC/DC電源模塊 在此種情況下，模塊電源應運而生，為開發(fā)工程師們帶來了福音。其中DC/DC電源模塊以體積小巧、性能優(yōu)異、使用方便、綜合成本低等顯著特點，在通信、網絡、工控、鐵路、醫(yī)療、航空航天等領域得到了廣泛的應用。

那么，在型號繁多，參數(shù)各不相同，品牌眾多的電源模塊中，怎樣篩選出合適，性價比又高的DC/DC電源模塊呢？

一般標準的選型方法，我們基本都比較熟悉，這次主要講講在嵌入式系統(tǒng)設計中進行DC/DC電源模塊選型時經常遇到的幾個問題。

迪龍：AC/DC電源模塊

隔離與非隔離

這部分電路到底需不需要隔離？基本是每一個嵌入式系統(tǒng)工程師都會考慮的問題，從隔離的目的來說，可以將隔離分為安全隔離和噪聲隔離兩大類。 嵌入式系統(tǒng)在硬件設計中，經常會遇到多電壓供電、數(shù)?；旌?、高速低速信號同板等復雜的情況，如果處理稍有不慎，就會產生干擾，輕則降低產品性能，重則干擾通信甚至引起系統(tǒng)重啟、癱瘓等。

此時隔離型DC/DC電源模塊就尤為重要，在嵌入式系統(tǒng)設計中，一般都會使用隔離電源模塊對PCB不同區(qū)塊進行隔離供電，從而最大限度上減少噪聲干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 另外，在含有工業(yè)總線的嵌入式系統(tǒng)中，常常會面臨浪涌、電弧干擾、雷擊等惡劣環(huán)境，因此需要將總線部分與嵌入式系統(tǒng)部分進行安全隔離。 隔離不僅能消除接地環(huán)路的干擾，還能阻隔外界惡劣環(huán)境因素影響通過總線進入核心系統(tǒng)，保證核心系統(tǒng)的安全。

性能與成本

性能和成本在很多種情況下都會面臨兩難的選擇，是為了性能不顧成本，還是為了成本犧牲性能，怎樣平衡性能與成本？

對于輸入與輸出電壓相同的DC/DC電源模塊來說，輸出功率和工作溫度是影響其成本的主要因素。

電子器件工作溫度范圍一般分為：商業(yè)級0~70℃、工業(yè)級-40~85℃、車規(guī)級-40~105℃、軍品級-55~125℃等，由于溫度等級不同，對材料和制造工藝的要求不同，電源模塊成本就會相差很大。

如果在體積、封裝形式一定的條件下，模塊實際使用功率已經接近額定功率，那么模塊的標稱溫度范圍就必須嚴格滿足實際使用需求甚至略有余量。

如果由于成本考慮選擇了較小溫度范圍的產品，出現(xiàn)實際使用溫度已經逼近模塊極限溫度的情況，該怎么辦呢？

這時可以采用降額使用的辦法，即選擇功率或封裝更大一些的產品，這樣大馬拉小車，溫升低，能夠從一定程度上緩解這一問題。

總之，要么選擇寬溫度范圍的產品，功率利用更充分，封裝也更小一些，但價格較高；要么選擇一般溫度范圍產品，價格低一些，功率余量和封裝形式就得大一些。到底怎樣做選擇，需要根據(jù)實際使用情況，進行綜合考慮。

功率余量留多少

余量設計的本質是預防意外，它雖然與品質無關，但余量設計不足，會存在質量問題的隱患，余量設計過大，又會造成成本的升高。

嵌入式系統(tǒng)的負載具有多樣性，有的是阻性負載，有的是感性或容性負載，有的負載較穩(wěn)定，有的負載波動較大，有的甚至還會有空載、滿載、或瞬間負載變大、或瞬間負載跌落的情況發(fā)生，這給確定電源模塊的功率等級造成一定的難度。

一般情況下，負載電流的大小是決定功率的關鍵因素，為考慮到嵌入式系統(tǒng)設計的穩(wěn)定性和抗意外能力，建議根據(jù)實際情況，最小預留20%的設計余量。

即在實際使用中最大功率不超過電源模塊額定功率的80%，在這個功率范圍內電源模塊各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠，如果余量太大，會造成資源浪費，如果余量太小則不利于溫升和可靠性。

對于波動較大的負載，設計應當滿足峰值電流不超過電源模塊最大承受范圍的基本原則，再根據(jù)負載波動的頻率，適當加大設計余量，以提高可靠性。

隔離電壓是否越大越好

并不是越大越好，隔離電壓是隔離型DC/DC電源模塊的一個重要指標，一般分1000Vdc、1500Vdc、2000Vdc、3000Vdc和6000Vdc等規(guī)格，是指在一定時間內（通常是1秒）電源模塊所能承受的、施加在輸入端和輸出端之間的最高電壓。

隔離電壓等級越高，電源模塊內部的保護器件和設計工藝要求就越高，成本也就越高，那該怎樣選擇合適的隔離電壓呢？

電源模塊的隔離電壓，需要根據(jù)應用場合來選擇。在一般場合使用對電源模塊隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也會更好一些。

由于嵌入式系統(tǒng)核心器件集成度高、封裝小、相對比較脆弱，因此在一般應用中，普遍的隔離電壓水平為1500Vdc或以上，但在一些特殊的領域，例如醫(yī)療、戶外通信基站、高壓電力等，對電源模塊的隔離電壓要求則較高。

當下科技高速發(fā)展，產品的快速開發(fā)已常態(tài)化，在緊湊的項目開發(fā)周期下，越來越多的嵌入式系統(tǒng)工程師已經認識到，正確合理地選用DC/DC電源模塊，不但可以省去電源設計、調試方面的麻煩，而且可以提高整體系統(tǒng)的可靠性，更可以縮短了整個產品的研發(fā)周期。