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1.1 确定电源的规格
首先确定电源的规格,按照需求的指标进行筛选,确定使用标准模块还是需要定制。
第一步,选择模块的封装尺寸
电源模块需预留足够的空间来考虑其散热辐射对信号采集的干扰和其它电路部件性能的影响,所以要兼顾体积、成本,同时也要综合考虑模块的可靠性。
第二步,选择模块的隔离性质
隔离特性,使模块的输入与输出完全为两个独立的(不共地)电源。在工业总线系统中,面临恶劣环境(雷击、电弧干扰)时进行安全隔离,也能起到消除接地环路的作用;在混合电路中,实现敏感模拟电路和数字电路的噪声隔离;在多电压供电系统中实现电压的转换。
第三步,先确定输入源类型
确认模块的输入源是交流还是直流;若是交流,则选用AC/DC模块,若是直流,则选用DC/DC模块。
第四步,输出电流的确定
负载选定后,输出电流就基本已经确定,负载电流的大小是决定功率的关键,同时也直接影响到模块的可靠性和价格。电源模块最好应用在30%-80%的功率条件下,选择合适的输出电流是设计成功的关键因素之一,过大或过小的电流均会导致较低的可靠性和过高的成本。
一般应用时需注意,若给光耦、继电器供电,或给RS232/485、CAN总线做电压基准等使用时,可能会存在负载电流很小或空载应用的情况,建议加合适的假负载来提高电源模块使用的可靠性。若有负载电流极不稳定或负载变化范围较大的情况,假负载的选择要兼顾在10%-100%范围内,避免轻载或过载应用。
在高温情况下电源模块应降额使用,可以选择在30%-40%以上的功率降额。对于高温条件应用,或散热不好的条件,在同等功率条件下,优先选用体积大的模块;对于长期工作在70℃以上的场合,请向我司技术服务人员咨询以选取适合高温环境工作的电源模块。
第五步,根据输入电压范围选定产品系列
1) 3.3V、5V、9V、12V、15V、24V输入电压变化范围为±10%,选择A、B、D、E、F、G、H系列非稳压输出的产品,输入电压变化范围为±5%,选择IA、IB、IE、IF系列稳压输出的产品,例如开关电源、线性稳压器、稳压二极管等输出较稳定的供电电源。
2) 5V(4.5-9V),12V(9-18V),24V(18-36V),48V(36-75V)输入电压变化范围为2:1,
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选择WR、VR系列,24V(9-36V),48V(18-75V)、110V(40-160V)输入电压变化范围为4:1,选择PW、UR系列,例如24V工业总线电源、48V通讯总线电源、110V铁路电源、220V变压整流输出以及各式电瓶、蓄电池、锂电池、干电池、远距离传输等输出电压变化较大的场合,应选择宽电压输入PW、UR系列的模块。对于3W以上的输出功率,为提高整机效率,建议选用VR或UR输入系列的电源。
第六步,根据负载类型选择合适的模块
1) 输出电压由负载的电路类型决定,如普通数字电路、放大直流或低频信号的运放、RS232/485、CAN总线等对电源精度要求不高的场合,可选择非稳压输出系列的模块(如A、B、D、E、F、G、H系列);对于传感器、高精度的运放、A/D、D/A芯片等对电源精度和纹波较敏感的器件应选用稳压输出系列(如IA、IB、IE、IF系列)或宽电压输入系列(如VR、WR、PW、UR系列)的产品。
2)在成本和效率兼顾的情况下,可以考虑非稳压输出的模块(如A、B、D、E、F、G、H系列)和线性稳压器的结合使用;在负载有正负电压或多种电压供电需求时,可考虑正负输出或采用双路和多路输出的模块,尽可能地减少输出路数,应用时以输出功率大、精度要求高的一路做为主边输出,确定副边的电压精度要求,使模块设计更可靠地满足要求。
3)输出电压的常见规格有3.3V,5V,9V,12V,15V,24V,±5V,±12V,±15V等。
4)对输出的精度及纹波如有过高的要求,可能会导致模块成本的大幅上升。
总之尽量采用标准模块规格,可以达到满足成本较低、技术成熟、减小开发阻力、节约开发时间的目的。对于高隔离、超宽电压范围输入、高温环境、EMC、UL认证等其它特殊要求最好咨询技术服务人员。
1.2 系统配电设计
系统配电的设计往往要结合产品的特性和电路的需求进行多次优化,准确测量实际电路的工作参数和环境变化范围,有助于我们更为精确地选择合适的模块电源。
第一步,外界因素
环境温度会对电源模块及其外接元件有一定的影响,电源模块在应用时可能处于高温、低温
或高低温循环变化环境中(如:机舱、船舱等),我们应详细了解在环境条件变化情况下电源模块相应参数的变化,以便保证在实际环境中满足其要求。需要注意的是:电源模块工作的环境温度,不是指当时的气温,而是设备机壳内的空间温度;由于存在许多发热器件,通常机壳内温度比当时气温要高。商业级产品的温度范围要求为0~70℃,工业级产品为-40~85℃,车载设备一般为-40~105℃,野外作业设备一般需-55~85℃,军用领域一般选用-55~125℃。特别在高温时模块大幅度降额,设计时要考虑足够余量,应选择高低温特性较好的电解电容为宜。在高温下,电容的
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耐压值大幅度降低,请参照所使用电容的规格书正确使用。
在有电弧、静电放电、不稳定交流电网、起动开关、继电器、雷击等干扰的环境,输入电压和电流可能会远远超过模块的承受范围,导致模块永久性损坏和负载电路的瘫痪,这时要适当添加保护电路,确保电源安全工作。
传输距离对系统供电电源也有影响,一般选型时注意以下几点:
1)室内线短、温差小、干扰小,一般采用非隔离或小功率型的模块;
2)市外远距离传输时,除了考虑防雷隔离保护以外,还要精确计算传输损耗,选择宽电压输入且功率足够的隔离电源模块。
3)若传输距离过长、损耗较大时,模块的供电电源必须提供足够的功率,才能保证模块正常工作,考虑到模块的启动电流,一般建议供电电源提供的电流为模块启动电流的1.3-1.6倍。
4)建议在模块的输入引脚旁并接一电容,以提高产品启动性能。
第二步,工作环境
所有功率转换产品都会有一定的损耗转变为本身的热能,使自身发热,并影响周围环境升温,
引起数据干扰(热敏传感器件)和器件性能下降,甚至会引起短路起火,布局时一定要有充足气流空间,或增加散热面积来降低温升,保证安全。
由于开关电源是采用开关技术来实现的,其自身的开关振荡电路及内部的磁性元件会对周围
的器件以传导和辐射的方式产生电磁干扰和污染。电磁干扰(EMI)是指通过电磁辐射传播和信号线、电源线传导的电磁能量对环境所造成的污染。电磁干扰不能完全被消除,但可以采取一些方法使其降低到安全的等级达到电磁兼容的目的。
第三步,模块的布局
不合理的接地和电源布局往往会引起系统出现不稳定,高噪声和其它恶劣现象。
在许多应用中,数字和模拟电路共用同一电源,在这类设计中非常重要的是要对模拟和数字电路分开使用或完全隔离电源和接地回路,避免数字直流电平的变化和逻辑瞬态过程干扰到敏感的模拟电路。
在高速或动态模拟、数字电路中,负载通过较长的线路配电时,电源配线的分布电阻和电感变得明显且极易因为负载电流的迅速变化引起噪声尖刺,这就需要对负载去耦,同时消除线路上的串联阻抗和分布参数引起的谐振。