微功率应用笔记.doc

广州爱浦电子有限公司
爱浦电子微功率电源应用笔记
一、电源的设计及模块的选用
最初的小功率电源是由应用电路工程师在设计电路时一并设计的。但伴随着科技的飞速发展，新产品投产的进度日益加快。为适应这一形式的发展，模块电源逐步开始由专业制造厂家设计及制造。电源是电子系统中非常重要甚至为最关键性的元件，对于高品质的电子产品更需要我们精心地去选择一款合适的电源及应用方案。在开发的初期合理地设计电源配电、布局，可以降低成本，避免干扰振荡，过热过流等恶劣现象，并提高电路的可靠性，节约开发时间。

1.确定电源规格
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。

基本要求：
A：确定输入源类型：
确认模块的输入源是10%的波动还是5%的波动；若是10%，则选用非稳压NN1、NN2系列模块，若是5%，则选用稳压NW1、NW2系列模块。

B：输入电压：
1) 前级输入电源的类型和电压的精度直接决定了模块的类型；例：开关电源、线性稳压器、稳压二极管等输出较稳定的电源，可以选择定压输入系列（输入电压变化范围一般小于±10%），一般常见的输入电压有5V、12V、24V。

C：输出电压：
1) 输出电压由负载的电路类型所决定，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，可以考虑非稳压模块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，要考虑正负输出或采用双路和多路输出。这时尽可能地减少输出路数，并将输出功率大和精度要求高的做为主边输出，确定副边的要求精度，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。
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。

D：输出电流:
　　负载选定后，输出电流就基本确定，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价格。功率余量建议选择20%~30%。
对于输出功耗很小或空载的电路情况，如给光耦、继电器供电，用于RS232/485、CAN总线，做电压基准等使用时，建议加合适的假负载提高电源模块使用的可靠性；对于电流负载极不稳定，变化范围较大的情况，假负载的选择要兼顾在10-100%范围内，避免轻载和过载。在高温情况下电源模块应降额使用，可以选择在30-40%以上的功率余量，对于长期工作于70℃以上的场合，请向技术服务人员说明以选取适合高温环境的电源模块。总之，输出电流的选择是设计成功的关键，过大或过小的电流均会导致较低的可靠性及过高的成本。

E：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。

F：封装尺寸：
电源模块需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，可靠性综合考虑。
总之，尽量采用标准模块规格，可以满足成本较低、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、高温环境、EMC认证等其它特殊要求则最好咨询技术服务。

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。

A：外界因素
1) 温度
环境的温度会对电源模块及其外接元件造成一定的影响，考虑应用中电源模块可能处于高温、低温或是在高低温间循环变化（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；同时外接电容不宜用铝电解电容，应选择钽电容或其他高低温特性较好的电容为宜。在高温下，电容的耐压值大幅度降低，请参照所使用电容的规格书正确使用。另外，在环境温度低于-10℃的环境下，部分电解电容或能失去作用。

2) 浪涌和群脉冲
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，这时要有添加适当的保护电路，确保电源安全工作。

3)传输距离
无论室内还是野外，电源的传输距离长短也是系统重要的考虑因素之一，室内线短温差小、干扰小，可以考虑采用非隔离或小功率型的产品。野外远距离传输除了防雷隔离保护以外，还要精确计算传输线的损耗，并选择宽电压输入且功率足够的隔离电源模块去推动远程设备，以免启动功率不足造成启动不良。另外，还要考虑模块的启动电流，虽然我司产品采用了软启动技术，其启动电流仅为输入电流的1.3-1.6倍，但由于传输距离过长、损耗较大，故应考虑电源模块的前级有足够功率的输入电源，以保证模块正常启动并工作。此外，建议在模块的输入引脚旁并接一电容（一般10UF以下），以提高产品启动性能。

B：工作环境
1) 散热　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。
2) 干扰　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。一般抑制电磁干扰的有效途径有：
① 屏蔽电磁干扰辐射。选择金属屏蔽封装的产品，或外加屏蔽罩可以减少辐射；
② 合理接地；
③ 对电源线、信号线进行滤波。如采用合适的滤波器或滤波网络都可以减小电磁干扰的传导。
④ 电源模块供电与小信号电路分开布局，可有效避免电源模块对小信号电路造成的干扰。

C：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，高噪声和其它无法解释的恶劣现象。

*常见的三种配电连接：

图1 平行连接

如图1，每个负载和其它负载公用线阻产生了直流回路，每个负载电压会随着其它负载电流的变化而变化。

图2 辐射连接

如图2，每个负载和电源形成独立的环路，消除了直流地回路和各负载间的交互影响，每个负载电压只是由于其自身环路的电流和线阻不 同而产生差别不会相互干扰。

图3 混合连接

如图3，在复杂的系统中我们可能需要同时采用平行和辐射连接，由于辐射连接交互影响小，多用于大电流负载并靠近电源；对于小电流负载，线上压降很小，可以忽略，可采用平行接法.

*模拟和数字电路的分配
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敏感的模拟电路。通常采用单点接地法改善这一现象。
如图所示：

*负载去耦
　　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。

C1采用1-10uF 电解或钽电容； C2 采用0.1 uF 瓷片电容。（具体型号参考产品技术资料）

二.电源模块的测试
合适的电源选定后，仍然非常重要的是应用于实际单元电路中的电气性能，使用前产品要经过严格测试合格才能使用，下面以DC/DC为例介绍模块电源的一般测试方法，AC/DC模块的测试在原理上完全一样，在此不重复描述。
1. 测试采用标准的开尔文四端测试法.
如图：
　测试条件：室温TA =25℃ 湿度<75%. 标称输入和额定负载。

模型的组成：
a. 直流可调稳压电源： 输入电压范围足够大
b. 电流表A： 精度在0.001
c. 电压表V： 精度在0.001
d. 负载电阻： 额定负载：U×U÷P
轻 载：10×U×U÷P
e. 连线：线损越小越好，以1mm多股铜线最佳，以免造成过大压降。
测试：
A：连线：
保证较高的测量精度就要减小连接导线引起的误差，过长过细的连接线及不良的接触会引起较大的回路压降，并大大降低电源模块的负载调节率，尤其在负载电流较大时应尽量缩短输出 引脚与各负载间的距离，并增加连接导线截面积来减小阻抗产生的压降。模块的输入不能反接，输入输出电压表连接模块引脚，并选择满足功率大小的负载，将输入电压和负载调节到标称值，便可以测量。
B：接地：
不合适的接地会引入意外的噪声，对于测量纹波和噪声，避免其它电器通过电源地线串入模块，在测量时建议采用单通道探头直接测量法测量输出，避免输入输出共地和外界干扰产生的测量误差。（参见图“纹波和噪声”）
C：负载：
为了安全测量取得有效的测试数据，对于定压产品必须保证在10-100%之间负载，容性负载不能大于技术资料规定值，才能保证较为准确的电压和纹波输出；对于宽压产品可先10%的负载测试确定好坏，再进行额定负载的准确性测试。具体外接图示参考产品技术资料。

2．电源模块的性能：
连接好电源模块就可以进行性能的测试和判定，确认性能参数是否达标。
1）输出电压精度：设置输入电压为标称值,输出为额定负载,测得输出电压记为VOUT，输出标称值记为VNOM 。
计算公式：

　　　如：稳压产品NW1-12S12S 标称12V输出，额定负载为144 Ohm。测得实际输出电压12.039V.则有：

2）线性电压调节率：
输入电压为额定值，负载为满载时在允许变化范围内调节输入电压，测量输出电压的最大值和最小值之差值比例。
A) 定电压输入隔离非稳压输出系列：

线性调节率＝

式中：
Vin+10% 将输入电压标称值+10% 作为其输入电压上限
Vin-10% 将输入电压标称值－10% 作为其输入电压下限
Vout+10% 满载条件下，输入电压为上限时所测得的输出电压值
Vout-10% 满载条件下，输入电压为下限时所测得的输出电压值
Vinnom 指输入电压得额定值
Voutnom 满载条件下，输入电压为额定值时测得的输出电压值

如：以定压系列NN1-05S05S为例，输出接25欧姆恒阻性负载，输入范围：±10%(即4.5V~5.5V)
Vin+10% ＝5.5 V； Vin-10% ＝4.5 V ；Vinnom＝5V
Vout+10%测得为：5.32V； Vout-10% 测得为：4.2V； Voutnom 测得为：4.77V

故线性电压调节率= =1.174

B) 定电压输入隔离稳压及宽电压输入稳压输出系列：

线性调节率＝

在标称电压输入、额定负载下，测得输出电压记为VOUTN；
在输入电压上限、额定负载下，测得输出电压记为VOUTH；
在输入电压下限、额定负载下，测得输出电压记为VOUTL；
VMDEV 取VOUTH、VOUTL中偏离VOUTN最大值。

3）负载调节率：
输入电压为额定值时，分别接10%和100%的恒阻性负载，分别测出输出电压为10%负载及100%负载与额定值之差的程度。
计算公式：

VoutNL负载为10%所测输出电压值
VoutFL负载为100%时所测输出电压值
Voutnom为输出电压额定值
如： 以定压产品NN1-05S05S为例，额定负载为：U2/P=25欧姆，负载范围为10%~100%，测得：
VoutNL = 5.29 V； VoutFL = 4.77 V； Voutnom = 5V
负载调节率=

4）效率：
标称输入和额定负载下输出功率与输入功率的比值。
计算公式：

如：稳压产品NW1-12S12S 额定12V输入,满负载下测得输出电压为 12.039V ；电流为83.3mA时； 输入电流为115.0mA。则有：

5) 纹波和噪声：
　　纹波和噪声是叠加在直流输出上的周期性和随机性交流成分，它也影响着输出精度，一般对纹波和噪声采用峰-峰值计量(mVP-P)，采用最多的是探头直接测量法。
如图所示：

由于电源输出端含有大量高频谐波，为了测量准确,将示波器的地线夹去掉，因为它会像天线一样吸收各种高频噪声、干扰测量结果。

波形中清晰明亮的部分为纹波，垂直而不太清晰的部分为噪声；
实际上的噪声和纹波会因电路和外接的元件的不同而有所差异。由于噪声的频率极高，大部分输出电路都不会受到噪声的影响。
6) 启动时间：
由于一些特殊场合要求非常高的启动时间(例：配电控制系统) ，所以一般模块内部不放置电感。启动时间为输入开启后输出相对于输入达到目标电压值时响应延迟的时间。一般在额定满负载下测得，外接滤波器（包括输入输出电容）均会大大延迟启动的时间，实际设计要与噪声要求权衡考虑。定压产品采用开环设计，启动建立很快，宽压产品采用闭环反馈电路，启动较为缓慢。具体的产品及应用疑问请申请技术支持服务。
7) 隔离及绝缘特性：
隔离能力是电源模块一个非常重要的特性，输入/出的隔离可以提供独立，不同极性的电源给负载，常常用于仪器仪表、数据处理和噪声敏感电路中负载与电源及系统的相互隔离，防止共模干扰，也用于工业、电力、医疗系统人身安全隔离和矿井中的防爆等。在不同的行业都提出了各自的隔离等级要求(例：医疗4500VAC、电力：2500VAC)
如图：

CBARRIER： 隔离电容，输入初级线圈同输出次级线圈的耦合电容。
RBARRIER： 隔离电阻，输入/出间的阻性,一般在加500VDC电压测试。
I LEAKAGE： 漏电流，由于隔离电容的存在，在输入/输出间引起的电流。
VBREAKDOWN：测试电压，这里为240VAC/60HZ，也可以是其它值或噪声电压。
当为其它值时：
CIS：隔离电容 f ：给定值(测试信号) Vtest：测试信号电压;
由上可见，一个低漏电、高噪声抗扰性、高隔离的电源模块一定需要很低耦合电容的隔离材料；实际的绝缘测试需要按照相应规定和专门的仪器，相关的隔离测试参数有：
绝缘强度：在输入输出间加隔离电压(直流或交流的峰值) 测试1分钟。
绝缘电阻：在输入出间加500VDC，测的输入出间绝缘电阻大于1GOhm。

三、电源的应用

1.串联使用
直流输出的隔离模块允许多个模块将其“正”与另一个的“负”串联连接起来使用，这样可以获得一些非常规或较高的电压值。如图：

模块1为5V输出，模块2为12V输出，串联得到17V非常规电压，总输出电流即负载的功耗不能超过输出额定电流最小的模块的标称值；一般情况下，两个模块纹波电压不会同步，串联工作将会有附加的纹波，输出噪声也会变大，应用中应采取更多的滤波措施。图中每个模块的输出端都并联一只反偏二极管（一般采用压降小的肖特基二极管），以免反向电压加到另一个模块上。

2.并联使用
如果现有的模块电源功率不能够满足我们实际的需要，就需要将多个相同的模块进行并联达到需要的输出功率；需要提醒的是，要求并联使用的模块其特性要非常的相近，否则输出电压高的电源有可能会提供全部负载电流，导致各个模块负载电流的不平衡，即使输出电压极为相近，由于输出负载随时间，温度变化产生的差异，也使负载功率的平衡变得极不稳定，因此尽量避免并联使用。如图：

在必须需要并联使用时，利用冗余技术是较好的解决方法（两台电源输出端通过二极管并联，二极管允许其中一台失效时并不影响另一台电源继续给负载供电，这种方式常用于不允许电源出故障的重要场合）(如上图)；但只适合12V输出以上，这样二极管的压降(0.6V)不会影响到模块输出, 当5V或9V输出时则由于较大压降而不会这样采用；这种方法往往产生一规律性的频率冲击产生较强的干扰，使其纹波远大于其两个模块的纹波，这时还需外接电容来减小纹波。

3.输入极性保护
模块的输入“正”接电源阳极，“负”接电源阴极，在负电压电源(通讯-48VDC)接入时要保证高电压接“正”输入，低电压端接“负”输入，反接则会造成模块永久性损坏，因此可以外接二极管进行简单的极性保护。如图：

可以在输入的正或地线加压降较低的肖特基二极管.但一般不建议采
用地线串入,尤其在4-20mA变送器等产品应用中,会由于产生压降而导致测
量误差。

4.输入欠压保护
　　当模块同时与其他电路共享电源时，由于外界短路或过载引起的输入电压的大幅跌落会引起模块不稳定性输出而造成误操作，这时可以采取欠压保护电路在输入低于某一设定电压值时关断电路，保证正常运作。如图：
低电压关断电路

对于R1,R2的设置为低电压关断门限; PNP可采用P沟道MOS；
注：对低电压输入的 产品，以上电路会形成0.7V上下的压降。

5.输入短路保护
大部分体积较小开环式电路的模块均无短路保护功能，对于部分电力、医疗、铁路通讯等安全性能要求较高的场合我们提供以下电路做为参考，提供短路时的安全保护。如图：

其中:
方案1: 　Lin=1.4 * I (额定输入I) ;
　　　　 R1=200/ Iin (精度:1%) ;
R2=R1 * β(精度:1%)
Vb=0.7+ [Iin * R1 * ( β+1 ) / β * 1000]
R3=[( Vin-Vb) *R1 * R2 * (β+1) ]/ {( Vb-0.7) * [R2+(β+1)]}
方案2: R1=RGND=0.7V / I limit (推荐)
Q1,Q2采用一般开关管即可.

6. 过流过压保护
　　模块允许输入的电压和电流在一定的范围内，才不会降低性能或损坏。例如，定压非稳压系列电压范围为标称值的±10%，定压稳压系列为标称的±5%的范围，尽管如此，我们的输入电源会常常因为开关动作、电弧、雷击感应串入瞬间高能量的浪涌或短路引起过流或由于电网总线不稳定引起过压，造成模块内部元件损坏甚至烧毁模块，这时我们就要采取一些保护电路防止恶性损坏的发生。如下图：

图1. 瞬间过压过流保护电路。

图2. 持续过压保护电路

图3. 持续过流保护电路.

图4. 持续过压过流保护电路

7. 输入输出滤波电路
　　在对纹波和噪声敏感的电路中，可以在DC/DC输入端和输出端外加滤波器，以降低纹波值和噪声。
1)减小纹波
　　输入外加电容可以吸收输入端的电压尖峰，储蓄能量，维持电压平稳，输出外加电容可以将大大减小输出纹波，但容值过大或ESR过低都容易造成启动问题；要求非常低的纹波时，可采用“LC”滤波网络或选用低纹波输出的 如图:

C1： 滤减输入纹波; 采用电解电容，容值参考技术资料;
L2/L3/L4：组成LC滤波网络滤减输出基频纹波; 采用低内阻磁芯感.额
定电流足够大;
C2/C3： 组成LC滤波网络滤减输出基频纹波; 采用低内阻铝电解或
钽电容.
2）减小噪声
模块在开关频率工作下产生共模，差模噪声。可以在输入输出采用无源LC网络或RC(损耗较大)减小其纹波和噪声，L的自身谐振频率要远高于模块的开关频率，允许通过的电流值也最好在模块输入电流的两倍以上，内阻要较小以降低直流损耗。对于固定频率的模块，可以来计算其滤波网络，对于PFM式模块，频率随负载和电压不断变化，L，C的则要根据应用而设。一般的差模噪声很小，只需在输入外接L1(共模扼流圈)，即可满足要求。

8.电磁兼容
由于DC-DC模块属二次电源，一般无电磁兼容指标。为使整套设备通过EMI测试，可在DC-DC模块的输入端串接TVS管及共模扼流圈，将DC-DC模块用金属外壳屏蔽起来。下面介绍一下AC/DC电磁兼容设计的典型示例：
我司AC/DC产品EMI均满足Class B，抗雷击、抗浪涌指标满足Class 3以上。但这并不说明采用我司AC/DC产品的整机均能通过以上指标，整机指标还与部件以及其他电路的布局、设计有关。因此，需要充分考虑各种因素，并增加相应的保护电路使整机满足抗浪涌、群脉冲的指标要求。下图是交流输入整机产品抗浪涌、群脉冲的一个保护电路的参考示例。

9、容性负载
对于一般的开关电源模块都有最大容性负载的要求，模块电源的输出端可以外加电解电容，但过大的容量和过低的ESR（等效串联电阻）可能会引起模块工作的不稳定，或造成过流保护点变小。对于具体各个型号的外接电容应根据产品技术资料查看相应的外接电容表。
10.输出轻过载保护
1). 防轻载电路
　　几乎所有隔离的电源模块都有最小负载的要求，一般在10%以上（非隔离系列可长期空载），这样可以大大提高系统运行的可靠性。对于非稳压产品在轻载情况下输出电压将急剧升高甚至处于未确定状态，而对于稳压产品在低于最小负载要求时其稳定性也会大大降低。如模块给光耦、继电器、MOS管及功耗较小的芯片（如485芯片等）供电时，由于其自身的功耗非常小，可视其为空载或轻载，故此情况下应在模块的输出端外接10%功耗的假负载（电阻），以防止输出电压不稳定对电路所造成的影响，并且提高模块长期工作的可靠性。
如图:

2). 防过载电路
　　尽管采取滤波器可以进行一定的限流,但当过载或是短路发生时,将会有非常大的电流通过供给负载,使模块因过热而烧坏(定压产品只能维持短路时间1S),对于宽压产品,输出将处于不确定状态;这就要我们采取一些防范的措施,满足高安全要求场合的需要.
如图: 简单的过载保护

① 简单的是在输入加上一个熔断保险丝，并具有2-3倍额定输入电流的容限，可以在非常短的时间内实施保护，也可以选择自恢复保险丝，但较迟缓。

如图 输入过流保护

② 另一种方法就是采用断路器。
③ 还有一些通过检测输入电流和输出电压来防止过载，如上图；
A: 输入经过一个内置有热开关的线性稳压器,但整体效率会相对降低；
B: 用于有电源管理的场合，用串联电阻网络来检测输入电压的跌落；
C: 这种采用设置RGND来进行输入电流的限制; 0.7V=RGND * ILIMIT
④ 同样可以检测输出电压传送给输入的电源管理系统,但要保证前后信号的隔离。
A: 通过光耦隔离传送输出电压变化给管理系统;
B: 通过热敏电阻隔离传送输出电压变化给输入管理系统
输出过载保护

不同的需要采取不同的防范措施,对于简单要求开/关功能,保险丝
就足够了,对于通过信号去控制本地其他电路及电源模块的过载,我们会
考虑一些较复杂,完善的方案.

3). 远距离传输
　　当电源要通过电缆进行远距离传输，电缆比PCB线路更加容易串入噪声和电磁干扰，而在电缆传输两端采用隔离的模块可以将多数干扰以共模信号的形式相互抵除 。 在户外（高山或水库）环境，要考虑不同程度的防雷措施，雷击产生的过电压会烧毁模块甚至引起终端设备爆裂，至少需用两级以上防雷保护。远距离传输设计应尽量采用高电压、小电流的模块，以减小传输电缆上的损耗，同时由于电流小，也降低了干扰强度；在接收终端，由于损耗和干扰，电压变低或不稳定，最好采用宽输入的产品，同时保证经传输损耗后供给模块的输入功率足够大，以免引起启动不良。

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