电子产品中电源的设计及模块选用

时间：2020-12-13 08:09:44　来源：柠檬阅读网本文已影响人

(三门峡职业技术学院机电工程系，河南三门峡 472000)
摘要：文章就电子产品中如何正确地选用模块电源提出了自己的见解。
关键词：模块电源；
电源规格；
配电设计
中图分类号：TM502 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)11—0102—02

电源是多种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个电子系统的安全性和可靠性。如果没有一部高质量的电源，则难以保证电子设备的正常工作。一个产品的质量好坏是由其设计决定的，要想得到高质量的稳定电源，必须在电源电路的设计过程中进行可靠性预测和可靠性设计及精心的选择模块电源。模块电源以其体积小巧、性能卓异、使用方便的显著特点，在通信、网络、工控、铁路、军事等领域日益得到广泛的应用。很多系统设计人员已经意识到：正确合理地选用模块电源，可以省却电源设计、调试方面的麻烦，将主要精力集中在自己专业的领域，这样不仅可以提高整体系统的可靠性和设计水平，而且
更重要的是缩短了整个产品的研发周期，为在激烈的市场竞争中领先制胜赢得了宝贵商机。那么，在电子产品开发中如何正确合理地设计电源和选用模块电源，可以从下面几个方面
着手。
1 确定电源规格

首先，确定电源的规格，按照需求的指标进行筛选，确定使用标准模块还是需要定制。
1.1 基本要求
1.1.1 输入电压。输入电源的类型和电压的精度直接决定了模块的类型。例如：开关电源、线性稳压器、稳压二极管等，它们的输出较稳定，可以选择定压输入模块(变化一般＜±5%、24V工业总线电源、48V通讯总线电源、220V变压整流输出以及各式电瓶蓄电池锂电池干电池等，输出电压在很宽范围内变化的场合可选择宽压输入模块(2∶1或4∶1)。输入电压的常用标称规格有：3.3V，5V，12V，15V，24V，48V。
1.1.2 输出电压。输出电压由负载的电路类型决定，数字电路，放大直流或低频信号的运放，RS232、RS485、CAN总线等对电源精度要求不高，可以选择非稳压输出，对于传感器、高精度的运放、A/D、D/A等受电源精度和纹波敏感的器件可以选用稳压或宽压模块，其不但纹波小，且有短路保护功能。在成本和效率兼顾的情况下，可以考虑非稳压模块和线性稳压器的结合使用。在负载有正负电压和多种电压供电时，需要考虑正负输出或采用双路和多输出，尽可能地减少输出路数，并将功率大和精度要求高的作为主力输出，确定副边的要求精度，使模块设计更可能地满足要求。输出电压的常见规格有：3.3∨，5∨，9∨，12V，15V。
1.1.3 输出电流。负载选定后，电流就基本确定，负载电流的大小是决定功率的关键，同时也影响到模块的价格。功率余量建议选择20%～30%。对于功率很小功率或空载，如给光耦、继电器供电，做电压基准使用时，建议加合适的假负载提高电源模块的可靠性;对于电流负载极不稳定，变化范围较大的情况，假负载的选择要兼顾在10%～100%范围内〔1〕，避免轻载和过载。在高温情况下DC/DC应降额使用，可以选择在30%～40%以上的功率余量，对于长期工作于75℃以上的场合，请向技术服务人员说明，以选择合适高温环境的电源模块。总之，输出电流的选择是设计成功的关键，过大或过小的电流均会导致较低的可靠性及过高的成本。
1.1.4 隔离性质。隔离特性，使模块的输入输出完全为两个独立的电源。在工业总线系统中，面临恶劣环境(雷击电弧干扰)时进行安全隔离，也起到消除接地环路的作用。在混合电路中，实现敏感模拟电路和数字电路的噪声隔离；
在多电压供电系统中实现电压的转换。
1.1.5 封装尺寸。信号采集的干扰和其他电路部件性能的影响，所以要兼顾体积、成本，可靠性综合考虑。
总之，尽量采用标准模块规格，这样可以满足成本较低、技术成熟、减少开发阻力、节约开发时间的目的。对于高隔离，超宽电压范围，高温环境，EMC认证等其他特殊要求则最好咨询具体技术服务。
2 系统配电设计

系统配电的设计往往要结合产品的特性和电路的需求进行多次优化，准确测量实际电路的工作参数和环境变化范围，有助于更为精确地选择合适的模块电源。
2.1 外界因素
2.1.1 温度。环境的温度会对电源模块及其外接元件造成一定影响，如果要考虑应用中电源模块可能处于高温、低温或是在高低温之间循环变化(如：机舱、船舱等)，就要求了解电源模块工作在相应范围内的各个参数变化。商业级产品的温度范围要求为0～70℃，工业级产品为-40～85℃，车载设备一般为-40～105℃，野外作业设备一般需-55～85℃，军用领域一般选用-55～125℃〔2〕。特别在高温时模块大幅度降额，设计时要考虑足够余量；
同时外接电容不宜用铝电解电容，应选择钽电容或其他高低温特性较好的电容为宜。
2.1.2 浪涌。在有电弧，静电放电，不稳定交流电网，启动开关，雷击等干扰的环境，输入电压和电流可能会远远超过模块的承受范围，导致模块永久性损坏和负载电路的瘫痪，这是要添加适当的输入保护电路来确保电源安全工作。
2.1.3 传输距离。无论室内还是野外，电源的传输距离长短也是系统重要的考虑因素之一，室内短线温差小，干扰小，可以考虑采用非隔离，小功率型。野外远距离传输除了防雷隔离保护以外，还要精确计算传输线的损耗，并选择宽电压输入功率足够的隔离电源模块去推动远程设备，以免启动功率不足造成启动不良。
2.2 工作环境
2.2.1 散热。

所有功率转换产品都会有一定的损耗转变为本身的热能，使自身发热，并影响周围环境升温，引起数据干扰(热敏传感器件)和器件性能下降，甚至会引起短路起火。布局时一定要有充足气流空间，或增加散热面积来降低温升，保证安全。
2.2.2 干扰。DC/DC采用开关技术，会对周围器件以传导和辐射的方式降低电磁干扰和污染。合理接地，LC滤

波网络都可以降低电磁干扰，在必要时采用金属封装进行屏蔽，达到电磁兼容的目的。
2.2.3 布局。不合理的接地和电源布局往往会引起系统出现不稳定，高噪声和其他无法解释的恶劣现象。
3 常见的三种配电连接
3.1 平行连接

每个负载和其他负载公用线阻产生了直流回路，每个负载电压会随着其他负载电压的变化而变化。

3.2 辐射连接

每个负载和电源形成独立的环路，消除了直流地回路和各负载间的交互影响，每个负载电压只是由于其自身环路的电流和线阻不同而产生差别，不会相互干扰。


3.3 混合连接

在复杂的系统中可能需要同时采用平行和辐射连接，由于辐射连接交互影响小，多用大电流负载并靠近电源，对于小电源负载，线上压降很小，可以忽略，可采用平行接法。

总之，精心去设计正确的电源及其应用方案，准确选用模块电源，合理应用使其性能得到最大限度发挥、可靠性得到充分保障，不仅可以提高整体系统的可靠性和设计水平，而且更重要的是缩短了整个产品的研发周期，在激烈的市场竞争中领先制胜赢得制胜先机。
［参考文献］
［1］曲学基，王增福，曲敬铠.稳定电源基本原理与工艺设计［M］.北京：电子工业出版社，2004.
［2］王卫平，陈粟宋.电子产品制造工艺［M］.北京：高等教育出版社，2005.

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