為你的應(yīng)用正確選擇一個(gè)電源模塊

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電源模塊選擇僅對(duì)于模塊式結(jié)構(gòu)的PLC而言，對(duì)于整體式PLC不存在電源的選擇。電源模塊的選擇主要考慮電源輸出額定電流和電源輸入電壓。電源模塊的輸出額定電流必須大于CPU模塊、I/O模塊和其它特殊模塊等消耗電流的總和，同時(shí)還應(yīng)考慮今后I/O模塊的擴(kuò)展等因素；電源輸入電壓一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要而定。直流輸入電源對(duì)于輸入電壓一般都是寬范圍：如5V為4.5-9V,12V為9-18V,24V為18-36V,48V為36-72V,110V為60-160V,另外我公司還有許多寬范圍輸入的電源模塊，如9-36VDC（四倍輸入）、16-160VDC（十倍輸入）、200-400VDC（高壓輸入）、400-800VDC（高壓輸入）等。交流輸入電源我公司產(chǎn)品型號(hào)齊全，覆蓋了5-10KW全部系列，輸入一般為220VAC（176-264V）和三相三線（四線），并帶有PFC功率因數(shù)校正功能，產(chǎn)品效率高。

近，出現(xiàn)了一個(gè)新的選擇：負(fù)載點(diǎn)DC/DC電源模塊。這些模塊結(jié)合了實(shí)現(xiàn)即插即用（plug-and-play）解決方案所需的大部分或全部組件，可以取代多達(dá)40個(gè)不同的組件。這樣就簡(jiǎn)化了集成并加速了設(shè)計(jì)，同時(shí)可減少電源管理部分的占板空間。

從這些模塊獲得你需要的性能，同時(shí)滿足你的預(yù)算和空間要求的關(guān)鍵在于，需要一家掌握不同可用技術(shù)的公司。

傳統(tǒng)和常見的非隔離式DC/DC電源模塊仍是單列直插（SiP）封裝，見圖1.這些開放框架的解決方案的確在減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面取得了進(jìn)展。然而，簡(jiǎn)單的是在印刷電路板上使用標(biāo)準(zhǔn)封裝的組件。這些組件是典型的低頻率設(shè)計(jì)（大約為300kHz），其功率密度不是恒定的。因此，其尺寸使之難以為許多空間受限的應(yīng)用所接受。下一代電源模塊需要在減少的外形規(guī)格（formfactor）方面取得重大進(jìn)展，以提高設(shè)計(jì)的靈活性。

圖1：傳統(tǒng)SIP開放式模塊。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員需要的更高功率密度，電源管理供應(yīng)商必須推高開關(guān)頻率，以減小能源存儲(chǔ)單元的尺寸。但是，利用標(biāo)準(zhǔn)組件增加開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致低效率，這主要是由于MOSFET的開關(guān)損耗。這推動(dòng)著業(yè)界尋找成本有效地降低DC/DC模塊中MOSFET的驅(qū)動(dòng)和電源路徑寄生阻抗的方法，生產(chǎn)與單個(gè)集成電路尺寸相仿的成型模塊。

ISL8201MDC/DC模塊

DC/DC就是指直流轉(zhuǎn)直流電源。是指將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能（20~30）%.直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用（開關(guān)電源），同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。DC/DC變換是將原直流電通過調(diào)整其PWM（占空比）來控制輸出的有效電壓的大小。

Intersil公司的ISL8201M是20V10A輸出電流的可變輸出降壓電源，是高性能PWM控制器，開關(guān)頻率600kHz,它集成了功率MOSFET,電感和所有的無源元件，可以實(shí)現(xiàn)完整的DC/DC電源解決方案。ISL8201M輸入電壓從1V到20V,采用單個(gè)分壓電阻可實(shí)現(xiàn)輸出電壓從0.6V到5V,峰值電流達(dá)17A,效率高達(dá)95%,可用在服務(wù)器，工業(yè)設(shè)備，POL穩(wěn)壓，電信和數(shù)據(jù)通信設(shè)備以及其它通用降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。

圖2：ISL8201M概念封裝圖。

從效率的角度看，ISL8201M實(shí)現(xiàn)了的性能。此外，QFN封裝優(yōu)良的熱性能可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)，而不需要散熱片。這使得ISL8201M達(dá)到了大約200W/in3的功率密度，約為傳統(tǒng)開放式框架模塊的4倍。

圖3：ISL8201M效率曲線（Vin=12V）。

當(dāng)評(píng)估一個(gè)特定應(yīng)用的解決方案時(shí)，尺寸和成本是兩個(gè)主要的考慮因素。但是，在終端應(yīng)用中其他因素可能同樣重要或更為重要。其中一些額外考慮因素正在研究。

可靠性

所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須處理的一個(gè)主要問題是可靠性。許多分布式電源架構(gòu)應(yīng)用需要足足運(yùn)行多年，而很少停工?？煽啃栽谙到y(tǒng)總擁有成本方面發(fā)揮著重要作用。在處理功率模塊時(shí)，由于共同封裝組件的數(shù)量、高功率密度引起的熱疲勞現(xiàn)象，還有附件機(jī)制（attachmentmechanism）故障的緣故，可靠性問題非常重要。

金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管（field-effecttransistor）。MOSFET依照其"通道"的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡(jiǎn)稱尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。

電氣系統(tǒng)和組件的故障率遵循浴缸曲線的形狀（見圖4）。這個(gè)曲線從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)陡峭而銳利的過渡取決于所使用組件的選擇、這些組件的額定值及其與模塊中其他組件的兼容性。例如，在20V輸入能力的DC/DC模塊中使用一個(gè)30VMOSFET是可以接受的，只要精心選擇驅(qū)動(dòng)器、肖特基二極管和緩沖電路即可。

圖4：生命周期故障率。

電源模塊中的熱疲勞現(xiàn)象是由電源轉(zhuǎn)換效率低下和浪費(fèi)了有限的可用空間造成的。這終會(huì)增加溫度上升速率，并因此縮短了產(chǎn)品的使用壽命。為了盡量減少溫度對(duì)平均無故障時(shí)間（MTBF）的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮散熱問題、有效氣流，以及基于模塊功率損耗的降額曲線。

圖5：典型的降額功率損耗曲線。

另外一個(gè)導(dǎo)致重大故障的現(xiàn)象是由焊點(diǎn)裂紋造成的“溫度跑道”。如果模塊受到機(jī)械振動(dòng)或多次溫度循環(huán)沖擊，裂紋可能在焊點(diǎn)中逐步展開，終可能使組件脫離基板。這將導(dǎo)致電阻的增加，反過來又增加了溫度應(yīng)力。這些事件可能會(huì)重復(fù)，直至循環(huán)達(dá)到線剪切模式并導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。

在ISL8201M中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員獲得了一個(gè)針對(duì)上述可靠性基準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛和測(cè)試的解決方案。

電氣性能

在選擇一個(gè)的模塊時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要困難之一是尋求性能、可靠性和價(jià)格實(shí)惠之間的微妙平衡。這項(xiàng)任務(wù)的難度因標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件和測(cè)量結(jié)果的缺乏被放大了，特別是涉及數(shù)據(jù)表中公布的一些主要參數(shù)時(shí)，如功率能力、效率和瞬態(tài)響應(yīng)。

在比較效率時(shí)，你必須考慮到輸入電壓、輸出電壓和電流水平，在該點(diǎn)比較效率。瞬態(tài)響應(yīng)是另一個(gè)參數(shù)，它需要一些分析，以便有一個(gè)有效的比較。你必須確保輸入和輸出電壓是相同的，輸出電容有相同的值和類似的參數(shù)（ESR、ESL等），，施加的暫態(tài)電流步驟均為相同的幅度和速度。

熱性能

在許多應(yīng)用中，電源模塊需要在富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中工作。在比較一個(gè)模塊的電源能力時(shí)，不應(yīng)只著眼于25℃時(shí)的電性能，還要考慮系統(tǒng)的環(huán)境溫度、氣流和將模塊的熱量傳到外面的方法。例如，Intersil的ISL820xM系列采用的QFN封裝旨在通過印刷電路板實(shí)現(xiàn)的熱轉(zhuǎn)移，因此模塊下的大型銅板將改善整個(gè)電源的性能。

總之，新的更高功率密度的選擇已經(jīng)以非隔離負(fù)載點(diǎn)的D