非隔離BUCK電源應(yīng)用設(shè)計方案

你是不是認為所有工業(yè)現(xiàn)場系統(tǒng)的電源都應(yīng)該使用隔離方案來提高可靠性呢？那你可能就走進了電源使用的誤區(qū)了。或許非隔離電源方案更適合你，本文將為你一一揭曉。

對電源進行隔離的初衷是為了將電源的前級設(shè)備與后級設(shè)備隔離開來，即使是前級設(shè)備出了問題也不會損壞后級設(shè)備。但在工作環(huán)境良好或整個系統(tǒng)的地是共用的場合中使用隔離電源的意義就并不大了，此時可以就使用非隔離電源，其電路拓撲更簡單，體積更小，效率極高并且具備短路保護、欠壓保護等功能。下文將為大家介紹這個容易被大家小看的高性能電源方案。

一、非隔離BUCK電源拓撲優(yōu)勢

首先，非隔離Buck拓撲電路器件少，電路簡單。如下圖1所示，控制器通過控制Buck電路的開關(guān)MOSFET管T1并讓它工作在截止或飽和區(qū)來使輸入輸出達到伏秒平衡，從而得到我們所期望的輸出電壓。

其次，其相較于隔離電源轉(zhuǎn)換效率更高。由于少了變壓器的能量傳遞損耗，與使晶體管工作在放大區(qū)的傳統(tǒng)LDO三端穩(wěn)壓器比起來損耗更低，如下圖2所示，兩者裸機大小差不多，但LDO線性電源由于效率低需要加散熱片，而非隔離BUCK電源可直接用電路中無需散熱片。

圖1 經(jīng)典Buck拓撲電路

圖2 傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓（左）與BUCK穩(wěn)壓（右）

二、集成Buck降壓轉(zhuǎn)換芯片

你可能會疑問，非隔離Buck電源為什么能夠有這樣的優(yōu)勢呢？

非隔離Buck電源之所以能有這樣的優(yōu)勢，（是由于使用了高集成的Buck芯片）是由于使用了集成Buck降壓轉(zhuǎn)換芯片，該芯片以Buck拓撲為框架將各種保護電路嵌入芯片內(nèi)，使得Buck降壓電源模塊更加安全可靠。下圖3為某品牌的小體積降壓轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部電路框圖，其尺寸長寬僅為3mm x 2mm，具有短路保護、過熱關(guān)斷保護、欠壓保護等功能，電路環(huán)路采用電壓、電流雙環(huán)控制，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，擁有不錯的電壓調(diào)整率與負載調(diào)整率，并且該類IC為了提高輕載效率，在輕載時自動進入調(diào)頻模式，通過降低開關(guān)頻率及損耗來提高輕載效率。

圖3 集成Buck電源轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部框圖

三、Buck非隔離降壓模塊性能與可靠性

采用集成Buck降壓轉(zhuǎn)換芯片為方案的非隔離電源模塊不僅體積更小，且各項性能較優(yōu)越。在Buck的設(shè)計中除了考慮基本的性能參數(shù)，還需要考慮什么呢？

以ZLG致遠電子自主研發(fā)的型號為E7815OS-500的非隔離降壓開板式電源模塊為例，該型號的基本參數(shù)如下表1所示。各項參數(shù)均為行業(yè)領(lǐng)先水平，且在10%負載下的轉(zhuǎn)換效率更是高達91%。

表1 E7815OS-500基本性能參數(shù)

除了基本參數(shù)，我們更多需要考慮的是它的可靠性。我們都知道，電子設(shè)備的可靠性及使用壽命與其模塊中電子器件的溫度、電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力及所處的環(huán)境溫度有關(guān)。模塊中關(guān)鍵電子器件工作的環(huán)境越惡劣，電子器件的工作溫度越高可靠性與壽命就越低，一般器件的最大工作結(jié)溫為150℃，工作結(jié)溫的降額越充足，則器件的可靠性就越高。

如下表2所示為該電源模塊在常溫25℃下，從低壓19V到高壓36V各關(guān)鍵電子器件的溫度熱成像圖片，從圖中可以看出該模塊的關(guān)鍵器件表面最高溫度不超過80℃，經(jīng)過理論計算其內(nèi)部結(jié)溫不超過100℃，可保證模塊的可靠性。

表2 關(guān)鍵器件溫度

如下表3所示為集成IC內(nèi)部MOSFET與外部續(xù)流二極管在常溫25℃下的實測電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力，其電壓、電流應(yīng)力留有一定裕量保證模塊可靠性。

表3 關(guān)鍵器件電壓、電流應(yīng)力

四、在應(yīng)用中怎樣提高非隔離電源的可靠性

設(shè)計完一款非隔離電源之后，我們要如何保證在現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)揮其優(yōu)越的性能呢？

首先要明確的是非隔離模塊雖然沒有隔離前后級的特性，但只要在一些應(yīng)用場合中提高它的可靠性是完全可以不需要具有隔離功能的電源模塊，因此提高非隔離電源的應(yīng)用可靠性是極其重要的。

從使用者出發(fā)，做到預(yù)留充足的余量。大多數(shù)電源設(shè)計工程師在權(quán)衡性能指標(biāo)、器件成本下，往往做不到把所有電子器件的安全工作裕量留得很足，在某些異常情況下想要更好的提高模塊的可靠性，應(yīng)用的工程師除了要按照數(shù)據(jù)手冊的要求使用外，在選用模塊時也要留有30%以上的降額，這里的降額不僅指輸出負載的降額，也指輸入電壓的降額。例如：如下表4所示，型號為E7815OS-500的非隔離電源模塊輸入電壓在24V以下時效率較高，而負載在50%~70%內(nèi)效率較高且穩(wěn)定，則可以選擇在輸入電壓為19V~24V、負載為50%~70%內(nèi)使用可靠性相對安全性較高。

從開發(fā)人員出發(fā)，設(shè)計進行完善的可靠性測試。當(dāng)然，除了對輸入電壓、負載電流進行降額使用以外，還可以增加外圍電路通過電磁兼容（EMC）相關(guān)的實驗來提高它的可靠性。

表4 效率與電壓、負載關(guān)系曲線圖