隔离电源模块优势和方案

摘要：

当今所有的电子设备与系统均是由半导体器件组成的，众所周知，设备中的每个半导体器件都必须要有电压电流流过，方能正常工作，电源在整个设备或系统中是不可或缺的，举个形象的类比，这就犹如人的血液一样，没有血液就等于生命终止，并且电源的质量会直接影响整个设备与系统的品质，例如电压范围、工作温度范围、负载瞬态变化等诸多需要考量因素。

正文：

目前有部分工程师在设计产品时，电源的方案选择会有这么一种想法，会认为不就那几个物料，都知道物料型号，并且都知道它们的单价，电源模块的价格相对于物料的成本显得较为昂贵，这部分用户想通过分立器件自行搭建，自己DIY设计开发及生产产品使用，殊不知会遇到非常多的问题，性能如何做到最优、成本如何控制、品质如何保障等等。下面就让我从几点给你讲解，为什么要选择采购电源模块产品使用。

1、电路方案的选择

在产品性能需求稍微明了之后，那接下来就是开始设计开发了，首先要做的就是电路方案的选取了，下面为大家列举一些比较常见的“反面教材”。

比如设计开发一个市电交流输入转直流输出的，很多人的第一时间就想到采用工频变换电路方案，因为此方案比较简单，一个工频变压器，再加上个整流滤波就可以搞定，如下图1所示。这个方案虽极易搭建，但此方案也存在致命问题，使用此方案的产品的效率非常低，并且产品的体积会非常之大，在应用中还伴随着让人非常闹心的工频涡流声。

图1 线性电源方案

再比如要设计一个宽压输入的10W直流转直流隔离电源产品，在度娘上一搜索，一大推的设计方案可供选择，出于对成本的考虑，可能很多人会选择RCC电路方案。是的，此方案的确成本比较低，但此方案的产品在整个输入电压范围、工作温度范围、负载瞬态变化等条件下的稳定性均较差、效率低，并且在空载状态下会产生严重的纹波震荡问题，而在批量生产过程中产品的一致性也很难得到保证。

上文提到的两个例子仅仅是较为常见的情况，电路方案的选择是整个电源产品的基础，不但决定着产品的后续能否设计至性能最优，还将会直接影响着产品的品质可靠性能否有所保障以及成本是否最低。

2、性能参数的设计

电路方案确定之后，接下来就需要进行产品性能参数的设计，要对电路方案中的电子元器件进行参数设计、计算与结构物料选型，在这个环节必须从多方面进行权衡。

首先，权衡所有器件的参数范围以及极限条件下的工作情况。

参数的选择不能过于饱和，否则产品极易损坏，需要降额设计，但又不能预留过大，否则会提升产品成本，而且还不能仅仅针对某一个点的单纯设计，否则开发出的产品极有可能仅在某个特定条件或极小的范围条件下能正常或最优工作。

其次，要对产品的结构和工艺进行设计。

产品结构设计可保证产品的散热和可制造性最佳，从而保证产品品质，否则产品开发出来可能需要一个比较大的散热系统，导致整体的产品成本变得高昂。

工艺设计优化的目的是保证产品更易于生产，避免产品的生产难度非常大、不良率很高，甚至可能变成只有手

工精雕细作的试验品了。

若是将这一系列因素均考虑到研发过程中，暂不讨论可行性，想必会大幅提升研发成本与精力，并且会延长整个产品的生产周期。若是将这一系列的工作交予专业的电源模块厂商，即可节省大量的精力。下面从设计角度的两个方面为大家分析一下。

其一，物料的选型。例如MOS管的需求性能参数已经设计计算好了，但在市场上符合此规格的物料型号种类非常的多，这个时候怎么选择，就难倒了一大推人，尤其是有选择困难症的人，鱼和熊掌不可兼得，但在专业的模块电源厂商就可以做到兼得，会根据产品的不同规格需求，不同的应用条件，舍掉无需的物料规格，选择最优的所需物料规格。

其二，电源模块的PCB的设计。这是极其关键却也是最容易被忽略的，关于PCB设计，大都以为就是个简单的布线走线的事，其实不然！或许是在其他行业领域里PCB设计得很好，就认为能一下复制在模块电源产品上，也能做得很好的，这也是个错误的观念。因为模块电源产品有模块电源的PCB设计规范要求，它要考虑散热设计、EMC设计、干扰设计和生产工艺设计等等，涉及的内容非产多，任何一个内容设计得不合理，都有可能造成研发难度的增加、功能性能的下降、品质及可靠性的不高，以及成本的增加，所以PCB设计在模块电源产品开发过程中是作为最重要的环节之一来对待的，如图2所示。

图2 物料选择与PCB设计要求

3、全面和可靠性测试

产品开发完成之后，并不能直接应用，需要对产品进行测试验证，这个测试验证不是简单的测试是否有输出、输出的电压是否正确、是否能带上满负载而已。为保证产品在实际应用中发挥最优性能，通常需要进行输入输出的每个性能测试、容差测试、瞬态条件测试、可靠性测试、EMC电磁兼容测试、高低温测试、极限测试、寿命测试、安规测试等测试，且很多性能指标的测试还要深入细化到多点测试、长时间的测试、重复反复测试和批量的测试，所以测试一个产品或一个项目，短则半个多月，多则一个月以上。

为了使开发的电源经过这一系列测试都需要依赖专业、高精度的设备，这又大大增加了研发和生产制造成本，并且需要依赖相应的专业电源模块测试规范，还需要自身对于该领域的规范、标准及规则有深入理解，并且能够转换成行业标准和企业标准。在这一方面，致远电子不但有全面的标准法则，如表1、图3所示，还有在此基础上增加标准法则的门槛难度。这么一细细衡量，这对于不是自身专长的DIY客户端是很难做到的，因此自行开发产品的品质可靠也就极难保障。

表1 可靠性测试项目与标准

静电放电抗扰度试验(ESD) 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验(EFT/B)

雷击（浪涌）抗扰度试验(SURGE) 传导骚扰试验

射频场感应的传导骚扰抗扰度试验(CS) 直流电源端口电压暂降、短时中断和电压变化试验

图3 可靠性测试实例

4、生产工艺的要求

各位资深的工程师想必都知道，一款产品设计开发及测试完后，并不是这款产品的终点，电源模块同样如此。接下来又是全新的领域，那就是生产工艺的要求，这一过程一定程度上决定着产品的成本高低和品质好坏。产品的生产过程是非常的复杂繁多的，尤其是变压器的生产制作，不同的产品会有严格独特的绕制工艺要求，增加胶带、挡墙、密绕、分布绕、起线收线要求、套管、层数要求、漏感要求等等，绕完后还要线圈的破锡、点凡立水、磁芯磨气隙、点磁芯胶等，非常繁多的处理工艺工序，如图4所示。