关于DC－DC模块电源系统应用设计的可靠性的详细解析

相信大家都会或多或少接触到各种各样的电子产品，那么你知道这些电子产品都需要各种各样的电源模块吗?那么应该如何设计高可靠性的电源呢?

电源本身的可靠性固然重要，但是实际上，由于电源系统工作环境的复杂性，再可靠的电源如果没有可靠的系统应用设计，最终电源还是会失效。下面介绍几种常见的电源系统应用设计的方法和注意事项。

虽然乍一看电源可能不如微处理器或DSP那么迷人，但它们是电子系统的必要组成部分，因为任何电源故障都会导致系统停止运行。其糟糕的性能会影响给定产品的质量。因此，系统设计人员非常关注直接供电故障和性能不佳。换句话说，任何系统中电源的可靠性都至关重要。

1. 冗余设计技巧

在可靠性要求高的场合，要求电源模块即使损坏，系统也不能断电。此时，我们可以采取冗余供电的方式来提升系统的可靠性。如下图所示，当一个电源模块损坏时，另外一个模块可以继续供电。图3为其中一种常见的冗余设计方案。

要选择或构建可靠的电源，需要充分了解影响产品可靠性的因素和压力。本文将探讨可靠性的含义以及可靠性和故障率之间的关键差异，如CUI题为“电源可靠性考虑因素”的白皮书中所述。¹它还将讨论像CUI这样的制造商如何通过提高可靠性来提高可靠性设计，元件选择和制造过程。

注意事项：D1、D2建议使用低压降的肖特基二极管，以避免二极管的压降影响后端系统的工作，并注意选取二极管的耐压值要高于输出电压。这种方法会产生额外的纹波噪声，需外接电容来减小纹波或是加滤波电路。

在研究提高电源可靠性的过程之前供应，首先要了解其定义以及可靠性和故障率之间的区别。根据CUI的白皮书，可靠性是指在特定条件下运行的供应在给定时间段内正常工作的概率。失败率是在给定时间单位内失败的单位的百分比。

2. 降额设计

众所周知，降额设计可以有效提高电源工作寿命，但是负载过轻使用，电源的性能又无法工作在最佳状态。 例如，金升阳DC_DC模块电源建议在负载范围30%~80%内使用，此时各方面性能表现最佳。

故障率归类于三个关键阶段：婴儿死亡率，使用寿命和磨损(由CUI提供)。虽然可以肯定地预测特定转换器将在期望的规格内运行多长时间或在多少小时后运行失败是有争议的，CUI建议使用概率技术确定供应的预期寿命或失败。

3. 合理外围防护设计

电源模块应用行业非常多，应用的环境要求也不近相同，因为其通用性设计，DC-DC模块电源仅能满足通用共性需求。因此当客户的应用环境要求苛刻时，需要加适当的外围电路来提升电源的可靠性。

从本质上讲，组件的选择对于电源的整体可靠性至关重要。因此，建议必须使用固有可靠的组件来显着降低故障风险。例如，根据CUI的经验，电容器是电源中的常见故障点，因此使用寿命更长的电容器有助于提高产品的可靠性

以金升阳的20W DC-DC铁路电源URB24XXLD-20WR2为例，单独模块只能通过EN50155 1.4倍输入电压Vin的1S测试，但因为体积原因没有办法通过RIA12的标准，通过添加外围电路(也可以选择金升阳EMC辅助器FC-AX3D)，就能通过RIA12要求的3.5Vin/20mS的等测试要求。 因而合理的外围电路设计可以使模块满足更高等级的技术规格，使之适应更恶劣的应用环境，提升电源模块的可靠性。

另一个可以提高可靠性的因素是使用低于额定规格的元件。例如，当在55°C下使用时，额定在85°C下可靠运行的组件将具有显着改进的性能。通常情况下，温度每降低10°C，组件的寿命就会翻倍。

4. 散热设计

工业级的电源模块的损坏大约有15%是因为散热不良导致的，电源模块是朝着小型化和集成化方向发展，但是很多应用场合电源是处于密闭的环境中连续工作的，如果积热无法散出去，电源内部的器件可能因为超过热应力而损坏。通常的散热方式有自然风冷、散热片散热和加强制性散热风扇等。热设计的几点经验分享如下：

除了坚固的设计和适当的元件选择外，高可靠性电源必须利用良好的组装和制造CUI总结了不损害设计或组件的过程。总之，可靠的电源是多种因素的组合，例如设计和分析，组件，制造过程，老化测试和安装。没有一个步骤可以确保可靠供应。

5. 匹配性设计、安规设计

电源的输入走线尽量保持直线，避免形成环路天线吸引外界辐射干扰。同时输入线和输出线需要按照UL60950的安规要求保持合适的间距，避免耐压失效。再者，电源底板下禁止布线，特别是信号线，电源变压器的电磁线会对信号形成干扰。另外一个设计师需注意的是，需要关注一次电源和二次电源之间，以及电源与系统工作频率的倍频错开，避开相互之间的系统匹配性问题。