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开关模块电源的选择与应用

2019-07-16 15:45发布

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开关模块电源的选择与应用

应用
负载要求
设法降低模块电源的温升
输出电压的调节
遥控开/关电路
输入保护电路
输出保护电路
开关噪声与电磁干扰的抑制 模块电源 ，电源模块 ，开关电源  ，稳压电源。　　一般模块电源有最小负载限制，各厂家有所不同，普遍为10%左右，因为负载太轻时储能元件续流困难会发生电流不连续，从而导致输出电压不稳定，这是由电源本身的工作原理决定的。但是如果用户的确有轻载甚至空载使用的情况怎么办呢，最方便有效的方法是加一定的假负载，约为输出功率的2%左右，可以由模块厂商出厂前预置，也可以由用户在模块外安装适当电阻作为负载。值得注意的是如果选择前者，模块效率会有所降低。但是有的电路拓扑却没有最小负载限制。(同步整流的技术，在这种电路拓扑结构下工作是没有最小负载要求的，可以在零负载到满负载下得到稳定的输出，只是输出的纹波和噪声会高一点。)
设法降低模块电源的温升　　模块内部器件的工作温度的高低直接影响模块电源的寿命，器件温度越低模块寿命越长。在一定的工作条件下，模块电源的损耗是一定的，但是可以通过改善模块电源的散热条件来降低其温升，从而大大延长其使用寿命。比如：50W以上的模块电源必须安装散热器，散热器的表面积越大越有利于散热，且散热器的安装方向应尽量有利于空气的自然对流，功率在150W以上除安装散热器以外还可以加装扇强制风冷。此外在环境温度较高或空气流通条件较差的地方模块须降额使用以减小功耗从而降低温升，延长使用寿命。
输出电压的调节
　  产品中有TRIM或ADJ输出管脚的产品,可以通过电阻或电位器对输出电压进行一定范围内的调节。对TRIM输出管脚，将电位器的中心与TRIM相连，在所有+S，-S管脚的模块中，其他两端分别接+S，-S,没有+S，-S时将两端分别接到相应主路的输出正负极(+S接+Vin，-S接-Vin)上，调节电位器即可。电位器的阻值一般选用5~10K比较合适。一般微调范围为+10%。　　对ADJ输出管脚，分为输入边调节(如SMP系列15W)与输出边调节(如WS系列15W)。输出边调节的与TRIM管脚的调节方式一样。输入边调节的只能上调输出电压，此时将电位器的其中一端与中心相接，另一端接输入的地(Vin)。直接与输出正负极相连时，请单独走线以免引入其他不必要的干扰。
在中大功率应用中为了保证模块输出的动态调节特性、减小线路损耗及压降，模块输出端至负载端的连线应尽量短、粗（即阻抗应尽量小），连线线径可按4~6A/ mm2选取，长度不超过0.5m。此外，为了消除线路压降对负载端电压的影响，还有两个解决办法：一是通过TRIM端适当调高模块电压，具体方法是在TRIM端与-sense端（若无此端，可接-Vout 端）之间接一个10kΩ的电位器并进行适当调节，即可实现输出电压上调；另一方法是将模块电源输出端与负载之间按上面线径、线长要求连线外将+sense与-sense端分别与负载+ 和-端相连（连线线径不必太大），这样可保证负载两端电压为设定值，而模块输出电压则自动调整，但要注意，采用该方法连接时严禁模块电源输出端与负载之间连线断开，否则会引起模块损坏。
模块的遥控开/关操作是通过cnt(rem)端进行控制的。一般控制方式有两种：
REM与-Vin(参考地)相连，遥控关断，要求VREM小于0.4V；REM悬空或与+ Vin相连，模块作，要求VREM大于1V；
REM与-Vin(参考地)相连，遥控关断，要求VREM小于0.4V；REM悬空或与+ Vin相连，模块作，要求VREM大于1V；REM悬空，遥控关断。即所谓“悬空关断”(-R)。
　　如果控制需求要与输入端隔离则可以使用光耦作为传递控制信号。R只有在“悬空关断”的控制方式时才有必要使用。
一般来说，正负逻辑在使用上差别不大，这只是远程开关控制模块的工作。现在由于很多的场合有上电时序要求或电源管理芯片控制，通常会利用模块的遥控端子实现这个功能，既可节省成本, 也避免了负载开关的功率损耗.


输入保护电路
输入加入C铝电解电容以吸收模块输入端的电压尖峰并为模块提供一定的维持电压。考虑到纹波的因素，尽量选用低ESR的电容，48V输入几十微法左右就可以了。
一般的产品都有内置的滤波器，能满足一般电源应用的要求。但如果对需要更高的要求的电源系统中可以增加输入滤波网络，但在设计过程中应注意尽量选择较小的电感和较大的电容。　　输入应加铝电解电容以吸收模块输入端的电压尖峰并为模块提供一定的维持电压，一般在25~50W功率48V输入的模块，选择几十微法左右的电容较为合适。考虑到纹波的因素，尽量选用低ESR的电容。　　为了防止输入电源瞬态高压将电源模块烧毁，建议用户在输入端接瞬态吸收二极管并配合保险管使用，确保模块在安全的输入电压范围之内.为了降低共模噪声，可以增加Y电容。一般选择几纳法高频电容。R为保险管，D1为反接保护二极管，C为滤波电容(如铝电解电容)、CY为Y电容，D2为瞬态吸收二极管(P6KE系列)。
输入电压标称值输入电压范围推荐瞬态吸收二极管厂家24V18-36VP6KE39AMotorola48V36-72VP6KE75AMotorola110V72-144VP6KE150AMotorola
电源输出保护
电源输出保护
　　电容作为电源去耦及抗干扰的手段,在现代电子线路中必不可少。一般的电源模块考虑这个因素,都有相当的容性负载能力.但由于考虑到电源的综合保护能力, 尤其是输出短路保护,容性负载能力不可能太大,否则保护特性将变差。因此用户在使用过程中负载电容总量不应超过最大容性负载能力。　　对于多路输出的容性负载，其分配原则是电容的存储总能量不能超过0.25J，同时主路的电容存储能量要大于等于辅助路电容存储能量的总和（1/2*?SCV2 ）。如SMP-1251QC的容性负载能力为+5V/10000uF，-5V/4700 Uf ，+12V/800 uF。
输出电压最大容性负载能力储能5V20000uF0.25J12V3300uF0.24J15V2200uF0.25J24V800uF0.23J48V220uF0.25J　　输出电流保护一般有四种方式：
1.恒流式:当到达电流保护点时，输出电流负载的进一步的加重，略有增加，输出电压不断下降。2.回折式:当到达电流保护点时，输出电流随负载的进一步的加重，输出电压不断下降，同时输出电流也不断下降。3.截止式:当到达电流保护点时，电源模块输出被禁止。4.恒流截止式:当到达电流保护点时，首先是恒充式的保护方式，当输出电流达到某值时，电源模块输出被禁止。在大部分电路中使用权恒流式与截止式较多，而比较理想的保护方式恒流-截止保护其中恒流式、回折式保护本质上就是自恢复的，但输出短路时的功耗较大，尤其是恒流式。而截止式、恒流-截止式保护的自恢复特性须加辅助复位电路来完成自恢复，但输出短路时的功耗可以通过复位电路的周期进行调整，即调整间歇启动的时间间隔。一般电流保护点为1.2倍标称输出电流。一般输出有过压嵌位保护。
电源模块开关噪声与电磁干扰的抑制---在开关电源中，功率器件工作于高频开关状态，不可避免的会产生开关噪声. 特别是在直流电源模块中, 为了得到较高的功率密度, 开关频率一般都很高(数百至数千KHz), 开关噪声更需要仔细考虑. 一般地说, 设计良好的直流电源模块内部已经有了基本的噪声抑制和滤波电路.但是, 减少开关噪声对邻近电路的影响和干扰仍然是直流电源模块应用设计的重点之一.---在模块的输入端和输出端加上足够的滤波电路是减少干扰的关键措施。电源模块运行时产生的电磁干扰可分两类：辐射噪声和传导噪声. 辐射噪声源于模块中的电压和电流的快速变化. 模块的机械结构, 及输入输出引线上的高频纹波电流对辐射噪声有相当的影响. 电压和电流的快速变化源于功率开关器件的开启和关断. 一般模块设计中采用吸收器 (snubber) 减小功率器件开关时由于快速变化的电压和电流产生的高频震荡. 因为直流电源模块的尺寸比较小, 输入输出引线短, 加上系统机壳的屏蔽作用, 大多数情况下辐射噪声不是主要问题, 传导噪声处理好后, 辐射噪声往往就迎刃而解了.---传导噪声又可细分为差模 (differential-mode) 噪声和共模 (common-mode) 噪声. 差模噪声出现在输入及输出正负引脚之间, 主要成分是开关纹波。电源模块中的功率开关器件的脉宽调制 (PMW) 作用产生此类噪声. 一般的模块均含输入差模L-C 滤波器, 但常常仍需要外部滤波. 共模噪声出现在输入及输出引脚与地之间, 主要是功率半导体在开关瞬间的电压变化引起的. 其强弱与诸多内外在因素相关. NetPower 的模块内也含有共模滤波电路. ---为进一步减少噪声干扰，应用中一般需外加差模和共模滤波器. 电磁干扰是一个系统问题，受模块以外的诸多因素影响，如机柜设计，使用模块的电路板的布线设计，等. 故滤波器的结构和滤波元件的参数均可能因系统的不同而有相当大的差异. ---图4是一个DC-DC电源模块的基本使用电路, 外加的主要元件即是为了抑制开关噪声。C1-C4 除可抑制差模噪声外, 还可减少供电电源的输出阻抗和模块的输出阻抗,有利于系统运行的稳定性.---除C2 以外，其它电容一般均为等效串联电阻及等效串联电感都较小的陶瓷电容，为高频噪声电流提供低阻回路. C1，C3，和C4为差模滤波电容. C2应为低等效串联电阻的电解电容，一般每100 瓦输入功率须加33- 100μF 以上, 电压等级应大于最高的输入电压 (输入为36-75V 时，通常用100V 电容). C2还须有足够的电流定额以满足高温大负载长期运行的的需要. C2的主要功能之一是防止模块输入端的供电电源等效输出阻抗过高，以保证在各种实际的条件下模块均能稳定运行. 不少系统要求在输入断电后模块还可工作一段时间(比如5ms), C2就需要成为主要的储能元件. 同时，C2也为模块产生的输入纹波电流提供了一个通路. 电容C7到C10是共模高频去耦电容，容值通常在10nF至0.1μF之间. 根据输入输出接地的方式不同，这些电容中有些须为高压电容. 在大多数应用中，增加输出电容C4可以改进输出动态响应和减少输出引线电感引起的电压振荡. 通常这些输出电容也应为低等效串联电阻的电容(如陶瓷电容).
输出纹波噪声的测量及输出电路的处理
PWM开关电源的输出的纹波噪声与开关频率有关。其纹波噪声分为两大部分：纹波(包括开关频率的纹波和周期及随机性漂移)和噪声(开关过程中产生)。
　　在纹波与噪声的测量过程中，如果不使用正确的测量方法将无**确地测量出真正输出纹波噪声。下面是两种推荐的测量方法：
地线环靠接测量法：使用带有地线环的20MHz示波器探头，将探针直接接触正输出的管脚，地线环直接接触负输出的管脚，即所谓靠接测量，这样从示波器中读出的峰峰值为输出线上的纹波与噪声。??? 双绞线测量法：输出管脚接双绞线后接电容，在电容两端使用20MHz示波器探头测量。
在大多数电路中，本公司模块的输出纹波噪声都能满足要求。对于输出纹波有较为严格要求的电源系统可以在输出增加差模滤波器来降低纹波。但在设计过程中应注意尽量选择较小的电感和较大的电容。如果需要消除减小噪声，需要加共模滤波器。输入与输出及外壳之间加隔离电容(一般为几Nf)也可以减小共模噪声。
电磁干扰
辐射噪声：由于高速开关，电压与电流的快速变化。一般来说加一些元器抑制快速变化的电压和电流产生的高频震荡。或加一些屏蔽设计，这些都可以减少辐射噪声。
传导噪声：输入与输出之间，分为共模和差模，往往传导噪声比较难解决。方法有：增加一些滤波电路就，如LC滤波、外加差模和共模滤波器.
电源应用推荐电路

C1为电解电容或钽电容，可降低电源的输出纹波及噪声值，低ESR；C2为0.1～1.0μF高频独石或瓷片电容；可降低电源的输出噪声值
L1,L2 50uH左右的低容性环型电感，可以降低输出的纹波。
C3，C4可选，输入与输出及外壳之间接电容，可以降低共模噪声，3000PF左右的高频独石或瓷片电容，
总结
了解供电需求，选择合适的电源架构
综合使用环境、负载情况、性价比、等其它参数要求，选择合适的模块电源。
根据模块的使用要求，合理应用电源模块，尽可能的发挥模块的最佳性能。
做好安全保护、输入输出的纹波和噪声问题
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3条回答
zhangbo1985
2019-07-17 00:06
产品中有TRIM或ADJ输出管脚的产品,可以通过电阻或电位器对输出电压进行一定范围内的调节。这在方案的设计中要注意的。

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