電源模塊的出現(xiàn),，將嵌入式工程師從繁重的電源設(shè)計(jì)工作中解脫出來。但電源模塊的種類繁多,，我們在日常電路設(shè)計(jì)中該如何考慮選型呢？
在日趨激烈的市場競爭中,，產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與開發(fā)無疑已經(jīng)成為領(lǐng)先致勝,、快速占領(lǐng)商機(jī)的必要條件。在項(xiàng)目經(jīng)理的“鞭策”和項(xiàng)目周期越來越短的普遍情況下,，模塊化開發(fā),，平臺(tái)化開發(fā),，方案引用式開發(fā)模式已經(jīng)被越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和硬件工程師接受使用。
圖1 模塊化設(shè)計(jì)產(chǎn)物——模塊化手機(jī)
任何一個(gè)電子產(chǎn)品的開發(fā),，都逃不開電源的設(shè)計(jì),。如果將產(chǎn)品比作人，那么電源就好比一個(gè)人的心臟,，心臟的健康與否,，關(guān)乎到人的生死存亡。同樣,，電源的設(shè)計(jì)優(yōu)劣,，輕則影響整個(gè)產(chǎn)品的性能，重則影響整個(gè)項(xiàng)目的成敗,。而電源設(shè)計(jì),，又以其專業(yè)程度高，調(diào)試周期長,，故障排查難等特點(diǎn),，讓“攻城獅”們深惡痛絕。
在此等大背景下,，模塊電源應(yīng)運(yùn)而生,，為“攻城獅”們帶來了福音。其中DC/DC電源模塊又以其體積小巧,、性能優(yōu)異,、使用方便、綜合成本低等顯著特點(diǎn),，在通信,、網(wǎng)絡(luò)、工控,、鐵路等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,。
那么，在型號(hào)繁多,，參數(shù)各不相同,，品牌眾多的電源模塊中，怎樣篩選出既合適,，性價(jià)比又高的DC/DC電源模塊呢,？一般標(biāo)準(zhǔn)選型方法大家都比較熟悉，這次我們講點(diǎn)不一樣的,，講講嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)DC/DC電源模塊選型時(shí)比較容易糾結(jié)的幾個(gè)問題,。
一、隔離or非隔離？
“這部分電路到底需不需要隔離,？”這基本上是每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)工程師都會(huì)思考的問題,。
從隔離的目的來說，可以將隔離分為安全隔離和噪聲隔離兩大類,。由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛性,，在硬件設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到多電壓供電,，數(shù)?；旌希咚俚退傩盘?hào)同板等復(fù)雜的情況,，處理稍有不慎,，就會(huì)引入干擾，輕則降低產(chǎn)品性能,，重則干擾通信甚至引起系統(tǒng)重啟,、癱瘓等。此時(shí),，隔離就顯得尤為重要,，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般都會(huì)選擇使用隔離電源模塊對(duì)PCB不同區(qū)塊進(jìn)行隔離供電,，從最大限度上減少噪聲干擾,，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
圖2 致遠(yuǎn)電子3W寬壓隔離電源模塊
另外,，在含有工業(yè)總線的嵌入式系統(tǒng)中,，常常會(huì)面臨浪涌、電弧干擾,、雷擊等惡劣環(huán)境,，因此需要將總線部分和嵌入式系統(tǒng)部分進(jìn)行安全隔離。隔離不僅能消除接地環(huán)路的干擾,，還能阻隔外界惡劣環(huán)境因素影響通過總線進(jìn)入核心系統(tǒng),，保證核心系統(tǒng)安全的作用。
二,、性能VS 成本,？
“性能”和“成本”是一對(duì)相愛相殺的冤家，讓多少工程師面臨兩難的選擇,，多少辛辛苦苦做的方案,，由于成本問題不得不放棄。是為了性能不顧成本,？還是為了成本犧牲性能,？怎樣平衡性能和成本,，這是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中亙古不變的話題,。
圖3 性能和成本之爭
對(duì)于同樣輸入輸出電壓的DC/DC電源模塊來說,，輸出功率和工作溫度范圍是影響其成本的主要因素。電子器件工作溫度范圍一般分為：商業(yè)級(jí)（0~70℃）,、工業(yè)級(jí)（-40~85℃）,、車規(guī)級(jí)（-40~105℃）、軍品級(jí)（-55~125℃）等,。由于溫度等級(jí)不同,，對(duì)材料和制造工藝的要求不同，模塊成本就相差很大了,。
如果在體積（封裝形式）一定的條件下實(shí)際使用功率已經(jīng)接近模塊額定功率,，那么模塊標(biāo)稱的溫度范圍就必須嚴(yán)格滿足實(shí)際使用需求甚至略有余量。如果由于成本考慮選擇了較小溫度范圍的產(chǎn)品,，實(shí)際使用溫度已經(jīng)逼近模塊極限溫度的情況,，怎么辦呢？這時(shí)可以采用降額使用的辦法,，即選擇功率或封裝更大一些的產(chǎn)品,，這樣“大馬拉小車”，溫升低,，能夠從一定程度上緩解這一矛盾,。
總之要么選擇寬溫度范圍的產(chǎn)品，功率利用更充分,，封裝也更小一些,，但價(jià)格較高；要么選擇一般溫度范圍產(chǎn)品,，價(jià)格低一些,，功率余量和封裝形式就得大一些。到底怎樣選擇,，就需要根據(jù)實(shí)際的情況,，綜合考慮了。
三,、功率余量留多少,？10%、20%,、還是30%,？
“設(shè)計(jì)余量”，一個(gè)讓人又愛又恨的指標(biāo),。余量設(shè)計(jì)的本質(zhì)是預(yù)防意外,，它雖然與品質(zhì)無關(guān),，但余量設(shè)計(jì)不足，會(huì)存在質(zhì)量問題的隱患,，余量設(shè)計(jì)過大,，又會(huì)造成成本的升高。
由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性,，負(fù)載也具有多樣性,，有的是阻性負(fù)載，有的是感性或容性負(fù)載,，有的負(fù)載較穩(wěn)定,，有的負(fù)載波動(dòng)較大，有的甚至還會(huì)有空載,、或滿載,、或瞬間負(fù)載變大、或瞬間負(fù)載跌落的情況發(fā)生,，這給確定電源模塊的功率等級(jí)造成一定的難度,。
圖4 嵌入式開發(fā)應(yīng)用廣泛
一般情況下，負(fù)載電流的大小是決定功率的關(guān)鍵因素,，為考慮到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和抗意外能力,，建議根據(jù)實(shí)際情況，最小預(yù)留20%的設(shè)計(jì)余量,，既實(shí)際使用中最大功率不超過電源模塊額定功率的80%,，在這個(gè)功率范圍內(nèi)電源模塊各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。如果余量太大,，造成資源浪費(fèi),，如果余量太小則不利于溫升和可靠性。
對(duì)于波動(dòng)較大的負(fù)載,，設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足峰值電流不超過電源模塊最大承受范圍的基本原則,，再根據(jù)負(fù)載波動(dòng)的頻率，適當(dāng)?shù)募哟笤O(shè)計(jì)余量的方法,，盡量提高可靠性,。
四、隔離電壓越大越好,？
隔離電壓,，是隔離型DC/DC電源模塊的一個(gè)重要指標(biāo)，一般分1000VDC,、1500VDC,、2000VDC、3000VDC,、6000VDC等規(guī)格,，是指在一定時(shí)間內(nèi)（通常是1秒）電源模塊所能承受的,、施加在輸入端和輸出端之間的最高電壓。隔離電壓等級(jí)越高,，電源模塊內(nèi)部的保護(hù)器件和設(shè)計(jì)工藝要求就越高,，從根本上講，就是成本越高,。那么怎樣選擇合適的隔離電壓呢,？
電源模塊的隔離電壓,，需要根據(jù)應(yīng)用場合來選擇,。一般場合使用對(duì)電源模塊隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流,，更高的安全性和可靠性,，并且EMC特性也更好一些，加之嵌入式系統(tǒng)核心器件集成度高,，封裝小,，相對(duì)比較脆弱，因此一般應(yīng)用業(yè)界,，普遍的隔離電壓水平為1500VDC或以上,。但在一些特殊的行業(yè)，比如醫(yī)療,，戶外通信基站,，高壓電力等，對(duì)電源模塊的隔離度要求則更高,。
在科技高速發(fā)展的當(dāng)下,，產(chǎn)品快速開發(fā)已經(jīng)成為常態(tài)化，嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的處理能力,，弱化了硬件設(shè)計(jì),，將大量的工作交給了軟件。標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái),，標(biāo)準(zhǔn)的接口,，豐富的驅(qū)動(dòng)，使產(chǎn)品快速成型推向市場成為可能,。在越來越緊湊的項(xiàng)目周期下,，越來越多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)強(qiáng)烈的認(rèn)識(shí)到：正確合理地選用DC/DC電源模塊，不但可以省去電源設(shè)計(jì),、調(diào)試方面的麻煩,，而且可以提高整體系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)水平，更重要的是,，縮短了整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)周期,。