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　　1、前言

　　對當今新型的DC-DC直流變換模塊只是在—個CMOS芯片上就可集成了高頻功率MOSFET、PWM控制器、故障保護及其它控制電路,有效地節約了成本.其性能包括短路及開環保護、可編程的限流點、輸入電壓欠/過壓保護、遲滯熱關斷、軟啟動、反饋補償及遙控開/關機.與傳統的分立設計相比,該Switch芯片可節省20多個外圍元件,極大地節省了電路板空間及成本.實現了體積小、重量輕、低成本、高效率、能適合各種應用的DC-DC電源轉換設計.而隨著各類工控與便攜設備發展變化與需求,對電源功率的要求也增多,而DC-DC模塊串并聯應用是最佳選擇,伴隨的是到模塊電源到的保護功能也顯得格外重要,為此本文將對其應用與實例與技術作研討.

　　2、DC-DC模塊的串并聯應用

　　2.1多路輸出模塊是常用的選擇

　　多路輸出的模塊在選擇和應用時要了解各路輸出之間的交互調節特性.多路輸出的模塊有幾種.其一,各路都是穩壓的且各路均可任意加載,其特性最好,其二,主路輸出穩壓,其它各路跟隨,付路的負載調整率較差且與主路負載有很大關系,如果主路載輕時,付路加載時可能輸出電壓會很低;其三,不分主、付路,各路的加載特性相同且都不是很好,但各路可隨意加載,如果其中一路空或載很輕時其輸出電壓會比其它各路都高,加載最重的輸出電壓最低.當然首要的是應仔細閱讀技術手冊.

　　2.2 DC-DC模塊串聯應用

　　電源模塊的輸出電壓的串聯使用是可能的,最多能串聯幾臺運行要看具體的型號和應用.為了獲得高輸出電壓,兩個模塊的串聯運行如圖1所示.每個模塊的輸出并聯了一個反向二極管,它能使反向電壓旁路,在上電啟動時不會由于啟動時間不同而相互影響.此二極管應選肖特基二極管,其反壓應大于總輸出電壓,電流應大于兩倍額定輸出電流.

　　為獲得高輸出電壓,同一模塊的雙路輸出的串聯如圖2所示.如果串聯運行時使用模塊的正負輸出,且正電源側的負載和負電源側的負載完全分離,則就不需加上述二極管,如圖3.此應用類似組成正負電源系統.在串聯應用時要使兩模塊的性能盡量匹配,特別是上電啟動特性和一些保護特性.建議盡量使用同一型號的模塊.

　　2.3 DC-DC模塊并聯使用

　　電源模塊的并聯有兩方面的作用,一是增加輸出功率,二是增加電源系統的可靠性.增加輸出功率的使用,一般情況下是單個模塊的輸出功率不能滿足要求,因此需要兩個或多個模塊并聯,這樣就要求各模塊之間的均流要好,這種均流不能單靠輸出端并聯或把輸出電壓調為一致實現,因為模塊的輸出阻抗、溫漂等都不相同,會使負載不均衡.這種并聯需要模塊具有此項功能才能實現,如BCT公司 的300W和600W帶PC端子和CS端子的模塊,有PC端子的可直接并聯,PC端連在一起,有CS端子的模塊需外加并聯均流電路.使用者在使用時須注意,輸出電路形式為自驅同步整流電路的,輸出端不能直接并聯.

　　為了增加電源系統可靠性的并聯,我們稱之為熱備份使用,或冗余并聯,如圖4.此種并聯的要求是,每一個模塊都可單獨提供100%的負載電流, 因此并聯使用時不存在均流的要求,兩者都在提供電流,相互之間互為熱備份.

　　2.31新型DC-DC模塊的并聯輸出應用舉例

　　為此以美國Vicor公司的300V輸入系列高密度DC-DC中功率微型模塊為典型例作應用說明.

　　*特征

　　該300V輸入系列高密度DC-DC模塊有7種中功率級的型號,其中兩個50W模塊的輸出電壓為3.3V及5V;75W模塊的輸出電壓分別為12V、15V、24V、28V及48V模塊.很適合離線功率系統、工業及流程控制、分布式電源、醫療、自動測試設備、通訊、國防及航空航天等應用.

　　這些300V輸入微型模塊型號為功率較低的應用提供了具成本益的解決方案.這些轉換器的標稱值是300V,輸入范圍從180V至375V,功率密度達90W/in3,效率達90%.模塊均符合RoHS規格,產品面積57.9 x 36.8 x 12.7mm及基板上高度為10.9mm.

　　*并聯輸出應用設計要點

　　Vicor全型、小型和微型模塊可以并聯多只同規格轉換器模塊,以擴大輸出功率.它們以陣列內的模塊以并聯信號來互相傳遞訊息,令各模塊的開關頻率同步,達至均流.在并聯陣列內,會用PR引腳的功能,只容許一個模塊變為驅動器,其余模塊自動變為倍增器.連接PR腳應謹慎適當.如需要并聯四個或以上的轉換器,或陣列需要容錯﹑冗余,可使用Vicor的 PR變壓器.把SC引腳連到感應腳便可把模塊設定為倍增器,這在需要寬度調節的應用特別適合,只需微調驅動器模塊,便可調高或調低整個陣列的電壓.在冗余陣列中所有電感應腳必須連接到輸出二極管(陰極)的共通點.

　　圖5 為300V輸入微型中功率模塊并并聯輸出應用連接圖.圖中連接注意:在設計+Out及-Out之母線時,應考慮避免或減少從模塊輸出至負載間之寄生阻抗;所有模塊之+S腳應連接至正母線上的一共通點.-S腳則連接至負母線上的同一點;設計者可把部分模塊之SC腳連接至-S腳,使其成為輔從模塊;可用或門二極管串聯每個模塊之+Out腳,以達至容錯之效果

　　2.32并聯輸出在電動汽車與直升飛機模擬飛行器顯示屏上的應用

　　3.31用于電動汽車

　　這個項目是并聯兩只DC-DC模塊,組成均流和電池充電器電路,從高壓蓄電池取電,轉壓為12V為Smart Car供電.這電動汽車并非電氣油發動機驅動,它是透過一類放置在車廂地板上絕緣箱內的316Vdc電池,經過精密的電子發動機驅動電動汽車.簡而言之,Vicor模塊用作固態發電,雖然車上已有一個12V充電池,供應最高功率和緊急后備電源,而兩類Vicor模塊則用作為車內照明、指示燈、擋風玻璃水拔、標板儀及車內音響娛樂設備供電,以保證12V電波不會過勞,延長電池壽命.

　　3.32用于直升飛機模擬飛行器顯示屏

　　仿真飛行器是訓練飛行員的重要儀器,它可幫助飛行員體驗最接近真實飛行的情況.這個客戶的主要業務設計生產高解像顯示系統,應用范圍包括仿真器、指揮與控制及虛擬現實等系統.顯示儀基本的特征是高解像、寬廣視野、亮度和色彩對比適中,以滿足最嚴格的飛行模擬訓練,如訓練飛行員登陸及起飛,復雜的戰斗,如空對空及空對地.

　　4、DC-DC模塊電源的保護技術

　　4.1輸入過欠壓保護

　　為了防止電源模塊的輸入電壓在超出正常范圍時損壞模塊,模塊絕大多數具有輸入過欠壓保護,大功率電源的輸入欠壓保護尤其重要.這是由于電源模塊的效率基本上是恒定(在恒定負載的條件下,效率隨輸入電壓只有很小變化),隨著輸入電壓的降低輸入電流增大,如果輸入供電電源的電壓建立時間比較長,在模塊沒有欠壓保護的條件下會使模塊輸出電壓的建立時間較長,此時間與輸入電壓建立時間有關,這樣會使用戶電路在上電時工作在異常狀態,有可能會引起故障或燒毀用戶電路;而且在這種狀態的情況下模塊的輸入電流較大、輸入電壓很低,很容易損壞電源模塊.

　　如果電源模塊具備欠壓保護功能,無論輸入電壓如何建立,只有在輸入電壓達到一定值時電源模塊才啟動工作,保證輸出電壓的建立時間不變.由于欠壓保護有回差控制,保證了在開啟和關閉時的穩定和可靠.即使輸入端引線過長線壓降過大,使電源在上電和掉電引起輸入電壓在欠壓點附近的跌落和上升,也不會使輸出產生異常.欠壓保護的回差控制是保證輸入開啟電壓高于關閉電壓,一般情況開啟電壓高于關閉電壓0.5Vdc--2Vdc左右,這與具體型號有關.

　　4.2 輸出限流和短路保護

　　電源模塊都具備輸出限流和短路保護功能,當輸出短路或過載狀態消除后,輸出可以自動恢復正常.輸出過流點是模塊內部設定的,使用者不能從外部改變.用戶須注意在過熱的條件下,如果長期工作在過載或短路狀態下,電源模塊有可能損壞,這取決于模塊的殼溫和散熱條件及型號,尤其對沒有過溫保護的電源模塊.

　　輸出短路和過載時電源模塊的功耗是決定其能否長期工作于此種狀態的主要條件.輸出短路時絕大多數型號的電源模塊工作在間歇模式,輸入的平均功耗很低;輸出過載時電源模塊工作在限流方式,一般條件下限流保護點在120%標稱輸出電流附近,此時的輸出功率最大,模塊的功耗也很大,應注意避免長期工作于此狀態,輸出限流保護點的電流值會隨輸入電壓而有些變化,一般情況下會隨輸入電壓降低而減小,隨輸入電壓升高而增大,不同系列的型號產品會有差異,在使用時須注意.

　　4.3關于輸出過壓保護

　　電源模塊的輸出過壓保護采用了一個獨立的反饋環路,一般的保護值是在標稱輸出電壓的120%至140%.當過壓檢測電路發現輸出端有過壓,它給輸入側發出信號使模塊關閉輸出.但它不是鎖存狀態不需外部復位,模塊在短暫的關閉輸出之后再重新啟動,輸出電壓在原邊的軟啟動控制下重新建立.如果過壓是外部產生的并已消失,模塊將正常運行如果過壓條件還持續,模塊將再次關閉輸出并重新啟動,這樣將維持在關閉和啟動的重復狀態.如果要求輸出電壓的波動較小,不允許上述情況,建議在外部加一個電壓監測,通過模塊的遙控端(Rem)來關閉輸出.在大多數的應用情況下使用者都在輸出加了一定容量的電容,模塊的關閉與開啟不會在輸出引起太大的變化,輸出電壓基本上維持在過壓門限附近.

　　小功率的電源模塊大多數在輸出端并聯穩壓、吸收二極管之類的保護器件.出現過壓時二極管可以吸收部分能量.如果過壓維持時間過長,使二極管無法吸收,則二極管被擊穿短路,使輸出電壓變得很低.此種保護是以模塊的損壞為代價來保護用戶設備的.輸出過壓保護門限值是模塊內部設定的,不能用Trim端改變.

　　4.4溫度保護

　　功率為50W以上的鋁基板結構電源模塊一般都有內部過溫保護功能.當基板溫度達到100℃-110℃時模塊將關閉輸出;當基板溫度降回正常范圍或95℃以下時模塊將自動恢復正常輸出,而不需要人工復位.

　　5、關于電源模塊的散熱

　　電源模塊在工作時內部將產生熱量,會使殼溫上升,因此如何保證殼溫在允許的范圍內并使其溫升盡可能低是提高其可靠性的關鍵,模塊散熱主要通過自然對流、強制風冷、安裝散熱器的方法,或其中幾種的組合.對小功率的模塊,設計時主要考慮自然散熱,功率基本上是40W以下.在使用時主要考慮其安裝環境,使其周圍有對流的空間,使用功率有一定的降額,并在實際的最高環境溫度下監測殼溫.對40W以上或有散熱器安裝孔的模塊,必須考慮強制風冷或安裝散熱器散熱.基本方法是:先根據效率門計算出模塊的耗散功率Pd=Pout/η-Pout,通過最高殼溫Tc和要求的工作環境溫度Ta,算出外殼到環境的熱阻=(Tc-Ta)/pd,根據算出的熱阻選擇合適的散熱器或風速,然后根據散熱器與模塊外殼的導熱材料,必須把外殼至散熱器的熱阻也考慮進去.計算只是考慮散熱的第一步,由于受眾多因素的影響,在選定散熱器與風速后必須對外殼溫度進行驗證,以便進一步的修正.

　　6、關于電磁兼容

　　幾乎所有的電源模塊內部都有丌型濾波器,但由于體積的限制其濾波效果比較有限.幾乎所有品牌型號的電源模塊在通過電磁兼容測試時都需要外加電容、濾波器或裝置,這也是FCC和CISPR標準所允許的.

　　電源模塊的干擾主要有傳導干擾和輻射干擾,傳導干擾即有共模噪聲,又有差模噪聲,主要通過電源線傳導,可以通過共模濾波器和丌型濾波器來抑制,具體見圖14和圖15說明.

　　7、結束語

　　上述是新型DC-DC模塊串并聯應用與實例介紹,而各個DC-DC模塊其應用特性會有側重或不同,設計時應根據要求作出選擇.