二次電源模塊的應用技巧

1摘要

二次電源DC/DC模塊廣泛應用于數據采集、程控設備、儀器儀表、通訊系統和分布式供電系統中，將24V或48V直流變換到所需的2.5V、3.3V、5V、9V、12V、15V等電壓等級。現市場上有很多DC/DC模塊都具有高穩壓精度、高效率、高可靠性、低的紋波和雜音，給用戶提供了極大的選用余地。但由于模塊的結構和性能不盡相同，在應用時為了更好發揮模塊的性能，設計出更加合理的電源板，需要使用一些技巧。

2模塊選用準則

用戶在選用模塊時通常首先關心的是模塊能否滿足負載能力，這需要根據實際的負載條件選用相應的模塊。首先要考慮輸入電壓范圍，以確定選用24V系列還是48V 系列；其次是考慮所需的輸出電壓，計算出額定負載時所需的功率，就可確定對應的模塊型號。如果用戶所需輸出電壓或功率恰好符合我司模塊的輸出電壓或功率等級，則不需對模塊進行更改，否則需對模塊輸出電壓進行微調或者采取輸出串、并聯措施達到要求。

3輸入輸出濾波

考慮到輸入直流電源與模塊之間的相互影響和EMC性能，還有對負載的影響，通常在使用模塊時都要在模塊的輸入輸出端加上濾波措施。推薦使用以下濾波電路形式，調整不同的參數后能夠達到所需的濾波效果。

圖1 輸入、輸出濾波電路

以上濾波電路僅在DC/DC模塊輸出功率比較大且對雜音、EMI要求比較嚴格的情況下適用。其中Y電容（共模電容）選用范圍為1000pF～4700pF，電解電容根據不同模塊選用47uF～2200uF，X電容則在0.01～1uF之間，電感的感量在10uH～100uH之間。普通情況下，可以去掉濾波電感和Y電容，輸入和輸出分別只需加上一電解電容和X電容即可，且X電容應盡量靠近模塊的端口。

4CNT電路的控制

CNT端子作為控制端，可以不直接開關輸入電源而使模塊的輸出電壓“ON”和“OFF”，也就為計算機對模塊進行遙控開關機提供了條件。CNT的工作電平有高和低兩種，應分別根據具體的模塊設計對CNT的控制電路，由于CNT端工作時電流較小，可以采用光耦或繼電器或晶體管來控制CNT的建立。由于許多電路需要在輸出出現過欠壓時要關閉模塊，因此需從輸出部分將輸出信號引到對CNT的控制部分來；如果輸入與輸出間有絕緣的要求，則采用光耦來實現，否則用繼電器或晶體管也可。

對于沒有CNT端子的模塊，就需要采用繼電器或晶體管等來實現它的通斷控制，利用輸入或輸出信號來驅動繼電器或晶體管來切斷輸入電壓。

5軟啟動電路的設計

隨著DC/DC模塊功率的增大，或者是多個DC/DC并聯的使用，輸入濾波電解電容的容量的增大就必然引起瞬間輸入電流的增大。在輸入電壓加入的瞬間，Vin的負載就是輸入電解電容的等效串聯電阻R =1/(1/Resr1+1/Resr2+1/Resr3……+1/Resrn)。電解電容的等效串聯電阻很小，所以充電電流非常大。此充電電流會引起輸入電壓的波動，特別嚴重的是在熱插拔時還會引起連接器的損壞。為了防止充電電流過大，有必要加入軟啟動電路。電路形式如圖2。

圖2 軟啟動電路

圖2中的A、B兩種電路都能實現對充電電流的限制，合理的選擇RC來確定充電的時間，限流電阻起限制最大電流的作用，啟動時的瞬間功率比較大。在實際應用中，應考慮B電路Q1（MOS管）的散熱問題，因為工作時，較大的輸入電流通過Q1的D、S極，使Q1有一定的功耗。因此推薦使用Rdson小的MOS管。

6電源的備份冗余設計

在通訊或別的領域里，常常要求電源的不間斷。備份冗余設計是實現電源不間斷供電的一種有效方式。系統電路如圖3。

圖3 冗余系統電路

圖中電容C1、C2的容量遠大于電容C3，這樣帶電拔插A（或B）電源板時由于C3較小，正常電源板B（或A）的模塊由于隔離二極管的作用，不會對C1或C2充電，就不會出現沖擊電流，正常電源板就不會因其它電源板的插拔時出現瞬間充電電流和瞬間掉電。如是電容加在隔離二極管之后，電容的等效電阻很小，在電源板插入瞬間，會有大的沖擊電流，與電容并聯的負載RL也有瞬間電壓下降。

如果設計的電源需要另外加入輸出過欠壓保護電路，電壓的取樣點應取在隔離二極管之前，防止一路電源輸出電壓過高時關閉其余正常路工作電源。由于隔離二極管在輕載和滿載時的管壓降不同，會影響保護點在輕載與滿載時的不一致，所以設計時要按重載時的過、欠壓點來考慮。

7輸入端反極性保護

模塊使用手冊推薦的防反接保護有兩種電路形式，見圖4。

圖4 輸入端反極性保護電路

圖中兩種電路形式都能對電源極性反接進行可靠的保護。A圖是以損壞保險管為代價的反接保護，當電源反接時，D1導通，則F1熔斷，故D1的電流應大于F1的保護電流，否則D1燒壞后起不到保護作用。B圖在電源反接時，D1不導通，此時D1的反壓值應大于輸入電壓值的5倍。考慮功耗和散熱問題，當輸入電流較大時，應用A電路對反接進行保護，當電流較小時，應用B電路來保護。

8過流鎖死保護后的重新啟動

多數產品的過流、短路保護是可以自恢復的，也有少數產品在電流保護后會觸發輸出欠壓保護電路，輸出被切斷，必須重新開機，或者在RST端施加復位信號，輸出才能恢復供電。這樣的產品如實現自動恢復功能，就必須增加應用電路。參考電路如圖5：

圖5 重啟動電路

圖中IC6為NE555芯片，電源輸出由于電流過大而關閉時，產生一啟動信號，輸出脈沖使RESET端復位，采用振蕩電路，當輸出正常時停止輸出脈沖波形，這種連續脈沖使輸出可靠的恢復。也可以使用其它脈沖電路來對RESET復位。

9輸入、輸出過、欠壓保護電路

根據不同用戶和電源板的要求，還有在使用多個模塊的電源板上，為使所有模塊的動作點統一起來，在模塊的外部有時需加輸入、輸出過、欠壓保護電路。另外，如果用戶所要求的輸入、輸出過、欠壓點比我們模塊本身的要低，例如對輸入來說，48V序列模塊的輸入電壓范圍為36～72V，而用戶只要求輸入范圍為40～60V，也需要增加此電路。

當然，外部所加的保護電路的動作點必須在模塊本身的動作點之外，否則起不到保護作用。設計此保護電路時，若要求保護動作時有回差，則通常采用LM358或LM393來實現，因為利用運放可以方便地調節回差的大小；若要求保護動作后不可恢復，則一般采用TL431來實現。TL431與穩壓管相比能夠實現很高的精度，且其溫度特性好。常用的輸入、輸出過、欠壓電路見下圖：

圖6 常用輸入過、欠壓保護電路

圖7 常用輸出過、欠壓保護電路

在輸入過、欠壓電路中，應注意使運放的同相端和反相端所接的電阻大致相等，以達到阻抗的平衡；二極管的方向應根據實際應用中運放的輸出電平來確定；運放的參考電壓可以用TL431來提供，其另一端一般都應接一0.01uF金膜電容，防止電路中的干擾造成誤動作；運放的工作電壓由輔助電源來提供；過、欠壓點和回差可根據運放的特性來計算。

在輸出過、欠壓電路中，應注意使TL431的參考端電路（圖7中的R2和R4支路）的工作電流為1mA左右，且在其參考極與另兩極間分別接上470pF～0.01uF的電容。光耦輸出的控制信號送到所需的控制點。圖7中的R3不可缺少，它用于給TL431 提供工作電流，若沒有R3，則該電路的動作點漂得很厲害。只要電阻的精度足夠高，就可以實現很精確的保護點。

10總結

總之，模塊在應用過程中應根據實際應用條件和所需達到的指標來確定是否使用以上各種電路。當然，我們推薦的不是唯一的電路，也可以采用其它的電路來實現相同的功能。同時，考慮到理論與實踐之間的差別，在調試過程中應相應調節各電路參數以達到規定的要求。還有值得注意的是，成熟的電路若想達到理想的效果，還與PCB板的布板有關，必須按照常規的經驗來布板，否則，好的電路仍然起不到應有的作用。

審核編輯：劉清