電源模塊在嵌入式系統設計中的四個選型問題

電源模塊的出現，將嵌入式工程師從繁重的電源設計工作中解脫出來。但電源模塊的種類繁多，我們在日常電路設計中該如何考慮選型呢？

在日趨激烈的市場競爭中，產品的快速設計與開發(fā)無疑已經成為領先致勝、快速占領商機的必要條件。在項目經理的“鞭策”和項目周期越來越短的普遍情況下，模塊化開發(fā)，平臺化開發(fā)，方案引用式開發(fā)模式已經被越來越多的系統設計人員和硬件工程師接受使用。

圖1 模塊化設計產物——模塊化手機

任何一個電子產品的開發(fā)，都逃不開電源的設計。如果將產品比作人，那么電源就好比一個人的心臟，心臟的健康與否，關乎到人的生死存亡。同樣，電源的設計優(yōu)劣，輕則影響整個產品的性能，重則影響整個項目的成敗。而電源設計，又以其專業(yè)程度高，調試周期長，故障排查難等特點，讓“攻城獅”們深惡痛絕。

在此等大背景下，模塊電源應運而生，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，在通信、網絡、工控、鐵路等領域得到廣泛的應用。

那么，在型號繁多，參數各不相同，品牌眾多的電源模塊中，怎樣篩選出既合適，性價比又高的DC/DC電源模塊呢？一般標準選型方法大家都比較熟悉，這次我們講點不一樣的，講講嵌入式系統設計時DC/DC電源模塊選型時比較容易糾結的幾個問題。

一、隔離or非隔離？

“這部分電路到底需不需要隔離？”這基本上是每一個嵌入式系統工程師都會思考的問題。

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。由于嵌入式系統的應用廣泛性，在硬件設計中，經常會遇到多電壓供電，數?；旌?，高速低速信號同板等復雜的情況，處理稍有不慎，就會引入干擾，輕則降低產品性能，重則干擾通信甚至引起系統重啟、癱瘓等。此時，隔離就顯得尤為重要，在嵌入式系統的設計中，一般都會選擇使用隔離電源模塊對PCB不同區(qū)塊進行隔離供電，從最大限度上減少噪聲干擾，提高系統穩(wěn)定性。

圖2 致遠電子3W寬壓隔離電源模塊

另外，在含有工業(yè)總線的嵌入式系統中，常常會面臨浪涌、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部分進行安全隔離。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入核心系統，保證核心系統安全的作用。

二、性能VS 成本？

“性能”和“成本”是一對相愛相殺的冤家，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，這是在產品設計中亙古不變的話題。

圖3 性能和成本之爭

對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（0~70℃）、工業(yè)級（-40~85℃）、車規(guī)級（-40~105℃）、軍品級（-55~125℃）等。由于溫度等級不同，對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）一定的條件下實際使用功率已經接近模塊額定功率，那么模塊標稱的溫度范圍就必須嚴格滿足實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品，實際使用溫度已經逼近模塊極限溫度的情況，怎么辦呢？這時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品，功率利用更充分，封裝也更小一些，但價格較高；要么選擇一般溫度范圍產品，價格低一些，功率余量和封裝形式就得大一些。到底怎樣選擇，就需要根據實際的情況，綜合考慮了。

三、功率余量留多少？10%、20%、還是30%？

“設計余量”，一個讓人又愛又恨的指標。余量設計的本質是預防意外，它雖然與品質無關，但余量設計不足，會存在質量問題的隱患，余量設計過大，又會造成成本的升高。

由于嵌入式系統應用的廣泛性，負載也具有多樣性，有的是阻性負載，有的是感性或容性負載，有的負載較穩(wěn)定，有的負載波動較大，有的甚至還會有空載、或滿載、或瞬間負載變大、或瞬間負載跌落的情況發(fā)生，這給確定電源模塊的功率等級造成一定的難度。

圖4 嵌入式開發(fā)應用廣泛

一般情況下，負載電流的大小是決定功率的關鍵因素，為考慮到嵌入式系統設計的穩(wěn)定性和抗意外能力，建議根據實際情況，最小預留20%的設計余量，既實際使用中最大功率不超過電源模塊額定功率的80%，在這個功率范圍內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，如果余量太小則不利于溫升和可靠性。

對于波動較大的負載，設計應當滿足峰值電流不超過電源模塊最大承受范圍的基本原則，再根據負載波動的頻率，適當的加大設計余量的方法，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電源模塊的一個重要指標，一般分1000VDC、1500VDC、2000VDC、3000VDC、6000VDC等規(guī)格，是指在一定時間內（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。隔離電壓等級越高，電源模塊內部的保護器件和設計工藝要求就越高，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，需要根據應用場合來選擇。一般場合使用對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，加之嵌入式系統核心器件集成度高，封裝小，相對比較脆弱，因此一般應用業(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，對電源模塊的隔離度要求則更高。

在科技高速發(fā)展的當下，產品快速開發(fā)已經成為常態(tài)化，嵌入式系統強大的處理能力，弱化了硬件設計，將大量的工作交給了軟件。標準化的硬件平臺，標準的接口，豐富的驅動，使產品快速成型推向市場成為可能。在越來越緊湊的項目周期下，越來越多的嵌入式系統設計工程師已經強烈的認識到：正確合理地選用DC/DC電源模塊，不但可以省去電源設計、調試方面的麻煩，而且可以提高整體系統的可靠性和設計水平，更重要的是，縮短了整個產品的研發(fā)周期。