DC/DC模块电源的选择应用及故障分析

陕西宝成航空仪表有限责任公司 王建琴 李坤武

国内模块电源目前已经形成系列化、标准化和市场化。产品一般采用厚膜或薄膜混合集成工艺，技术水平已达国际先进水平。凭借其工作温度范围宽、体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等特点，在国防工业高可靠电子系统及民用工业设备自动控制系统中得到广泛的应用。做好前期的优选工作，在电源设计、系统调试方面可起到事半功倍的效果。不仅可以提高电子整机系统的设计水平和使用可靠性，而且可以极大地缩短产品的研发周期。本文着重从模块电源选择、应用的角度，结合近年来军用模块电源使用过程中得到的反馈信息，探讨一下这方面的问题。

1.模块电源选择及应用

为保证电子整机系统设计及使用可靠性，除了考虑模块电源的电压转换功能外，还要考虑质量等级、封装形式、体积大小、工作环境、工作频率、隔离电压、保护功能等。

1.1 选择质量等级

为保证产品可靠性设计要求，尽量选择高质量等级的模块电源，但质量等级过高势必提高成本，所以应选择与系统相匹配质量等级的模块电源。

1.2 选择额定功率

根据设计输入要求选择适合额定功率的模块电源。依据降额原则通常实际使用功率选择额定功率的30～80%，实践证明工作在这个范围内各项性能稳定、失效率低、可靠性高。具体功率降额多少以系统各部位具体情况而定，同时还要考虑最小负载，通常最小负载应不小于10%额定负载，也可参照各生产厂家产品具体规定。

1.3 选择封装形式

目前模块电源的封装形式有很多，有符合国际通用标准的；有符合国标、国军标、企军标、行业标准的；也有非标准和特殊订制的。对同一厂家产品，功率相同有不同封装产品，功率不同有相同封装产品。对不同生产厂家，模块电源更是封装种类繁多。有部分符合国际标准，相互之间可兼容、可互换；但有些产品属非标或定制产品不可互换。在功率已确定、空间位置不确定情况下，尽量选体积小的，给系统其它部分留出尽可能多的空间以便实现更多功能；在功率和空间位置都确定的情况下，尽量选择体积较大的，这样有利于散热，提高其工作可靠性，延长使用寿命；尽量选择符合通用标准封装的产品，这样兼容性、互换性好，也不会造成唯一供应商；应选择具有发展前途和扩展性好的产品，对以后系统扩容、产品升级和更新换代做好铺垫。

1.4 选择使用温度范围与降额

模块电源生产厂家一般都有多个温度范围产品，可以满足不同使用场合选择的要求。如商品级（0℃到+70℃）、工业级（-40℃到+85℃）、军用级（-55℃到+125℃），在选择时要根据系统工作环境去选择，一定要考虑实际需要的工作温度范围。不要为节约成本选择勉强符合工作温度要求的产品，必然会造成产品后期工作隐患；但也不必选择温度范围要求过高的产品，这样也会造成设计及生产成本增加，也是不明智的做法。一是综合考虑使用功率和封装形式两个方面，在封装形式确定的情况下实际使用功率如果已经接近额定功率，模块电源的温度范围要严格把控，并留出裕量；其次是工作温度范围和额定功率都确定的情况下，系统设计空间允许时选择封装体积较大一些的产品，这样表面散热快一些，工作时温升相对会慢一点。

1.5 选择工作频率

评价一种模块电源动态响应工作性能如何，主要考核它的输出纹波噪声，即输出纹波电压与输出纹波电流越小越好。要满足输出纹波噪声小，就得提高模块电源工作频率，即工作频率越高，纹波噪声越小。但工作频率越高对制造它的磁性材料要求也越高，制造成本自然也会增加。所以选择时一定要分清使用场合，高要求应用选择高开关频率的模块电源，低要求应用选择低开关频率的模块电源，宗旨是必须满足变负载条件下动态响应的各项技术指标。

1.6 选择隔离电压

模块电源的隔离电压越高，其漏电流会越小，可靠性、安全性也会更好一些，它的电磁兼容性能也会更好。大多数情况对隔离电压要求并不是很高。一般这种具备高隔离电压的模块电源应用在有特殊要求的场合，但制造材料成本也相对会高些，价位也相应高。选择时也要根据情况慎重选择。

1.7 选择故障保护功能

模块电源的保护功能主要包括输入时保护过压、欠压、软启动等；输出时保护过压、过流、短路等；系统内部若有大功率发热器件还需要考虑过温保护功能等，使用条件不同，选择也各不相同。设计人员要依据电子整机系统需要实现的各种功能慎重选择具有相应保护功能的模块电源。

查阅发生故障的模块电源失效分析报告数据，模块电源失效的主要原因主要是选择使用不当、外部电路中高电压、大电流及短路引起的损坏。大致有以下情况：输入端极性加反或输入端短路引起过流导致内部辅助电源稳压管、三极管键合金丝熔断，致使模块电源失效无输出；输出端发生短期过载现象，导致MOS管键合金丝过流熔断，电源失效无输出；模块电源本身保护功能较为灵敏，带电子负载加满载（输出电流短时间内达到极限值）时，加电瞬间易形成保护，导致模块电源无输出。选用此种模块类型时需要将电子负载改为阻性负载，即可避免加电瞬间保护现象发生。为提高系统的使用可靠性，降低失效率，要根据实际情况选择适合特定系统的保护功能的模块电源，实现外部电路出现故障时自动进入保护状态避免损伤，外部隐患排除后又能自动恢复进入正常工作状态。

2.模块电源应用注意事项

2.1 考虑最小负载限制

模块电源一般都有最小负载限制，不同生产厂家有所不同，通常基本限定为10%左右。产品调试过程中发现负载太轻时会造成输出电压极其不稳定，但实际使用中经常有轻载甚至空载的情况出现，可增加适当的假负载来处理，一般设置值为输出功率的2%左右；也可在订货时要求厂家在制造时预置在模块电源内部，但要以降低效率作为代价；也可在模块电源外部附加定值的电阻作为负载；也可选择没有最小负载限制的电路拓扑来实现从空载到满载的使用要求。

2.2 多路输出中功率分配考虑

多路输出模块电源选择时一定要考虑不同路输出之间的功率分配。对双路产品，分两种类型：一种两路负载是平衡的，两路电流基本相同；另一种是负载不平衡的类型，即主路电流大、辅路电流小。对于不平衡负载类型，参考实际应用应选择辅路与主路功率之比为1/5～1/2，这样才能保证辅路的电压稳定性（±5%），否则辅路电压就会有较大偏差。系统两路负载若平衡就选择对称负载设计的模块电源；若系统两路负载不平衡，就不要选用平衡负载型模块电源，会导致辅路电压达不到要求精度。

2.3 模块电源的发热考虑

模块电源通电工作时，内部所有元器件会同时发热，若是系统器件分布密集散热条件差有可能导致工作温度超过器件结温引起内部元器件烧毁，直接影响模块使用寿命。器件工作时损耗产生发热是不可避免的，可根据具体情况在电源外部加装散热器来降低温升；在工作环境温度高、散热条件极差的部位也可选用自身带有散热装置的电源模块，必要时加装风扇强制散热；遵照降额原则，在不影响使用功能和系统空间占用限制的情况下选择体积较大、额定功率较大的模块电源，尽量降低功耗引起的模块电源自身发热导致失效的情况，最大限度保证其正常使用寿命。

另外，模块电源加电时应正确的连接电源的正负极，保证正确供电，以避免反接烧毁；做电性能测试时，检测位置应为模块电源引出脚根部；装配时，底部应紧贴电路板，以避免引脚受损，必要时应增加防震措施；引出线避免弯曲，防止绝缘子破裂，影响密封性能；禁止端引脚不用时应悬空。

3.模块电源常见故障

现在的设计及制造工艺使得模块电源的可靠性较以前已有很大提高，但也不排除会有故障发生，通常出现的故障有以下几种情况：通电后，不工作，无输出；输出电压降低，达不到正常输出值；输出电压过高，超出正常输出值；输入短路，造成输入电流超额；输出电流太大导致的过流现象。

模块电源无输出或输出电压过低这两种故障给器件本身及整机系统不会带来太大损害，可通过电路排查检测不难判断出来；但是输出电压过高、输入电流过大及输出电流过大就比较危险了，它可以直接烧毁模块电源本身及周边器件甚至损坏电子整机系统，造成不可估量的损失。后三种故障可在设计时预先增加过压保护、过流保护、电路前后级增加抗浪涌电路来应对，过压保护功能可通过增加稳压二极管或选择自带稳压功能的模块电源来实现，现在大多数模块电源都有一定的过压过流保护功能，但使用效率要相对低一些，选择时也要考虑到这点。

4.结束语

模块电源要优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的器件；选用符合国军标、部军标、企军标通用的技术成熟的器件；在最大满足质量可靠要求的前提下，性价比相当时，优先选用国产器件。模块电源只有慎重选择、合理使用才能使其卓越优异性尽致发挥，使得模块电源使用可靠性得以极大保障，同时电子整机系统的设计和使用可靠性才能得以保证。

[1]国产军用电子元器件产品手册.

[2]43所产品数据手册.