電源模塊在嵌入式系統設計中如何選型?看完就學會了

2020-11-23 電子發燒友

電源模塊在嵌入式系統設計中如何選型？看完就學會了

佚名 發表於 2017-12-19 07:41:00

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無疑已經成為領先致勝、快速佔領商機的必要條件。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，平臺化開發，方案引用式開發模式已經被越來越多的系統設計人員和硬體工程師接受使用。

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，都逃不開電源的設計。如果將產品比作人，那麼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。

那麼，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。由於嵌入式系統的應用廣泛性，在硬體設計中，經常會遇到多電壓供電，數模混合，高速低速信號同板等複雜的情況，處理稍有不慎，就會引入幹擾，輕則降低產品性能，重則幹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不同區塊進行隔離供電，從最大限度上減少噪聲幹擾，提高系統穩定性。

圖2 致遠電子3W寬壓隔離電源模塊

另外，在含有工業總線的嵌入式系統中，常常會面臨浪湧、電弧幹擾、雷擊等惡劣環境，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路的幹擾，還能阻隔外界惡劣環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，由於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

對於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範圍是影響其成本的主要因素。電子器件工作溫度範圍一般分為：商業級(0~70℃)、工業級(-40~85℃)、車規級(-40~105℃)、軍品級(-55~125℃)等。由於溫度等級不同，對材料和製造工藝的要求不同，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，那麼模塊標稱的溫度範圍就必須嚴格滿足實際使用需求甚至略有餘量。如果由於成本考慮選擇了較小溫度範圍的產品，實際使用溫度已經逼近模塊極限溫度的情況，怎麼辦呢?這時可以採用降額使用的辦法，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。

總之要麼選擇寬溫度範圍的產品，功率利用更充分，封裝也更小一些，但價格較高;要麼選擇一般溫度範圍產品，價格低一些，功率餘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、功率餘量留多少?10%、20%、還是30%?

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

由於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定性和抗意外能力，建議根據實際情況，最小預留20%的設計餘量，既實際使用中最大功率不超過電源模塊額定功率的80%，在這個功率範圍內電源模塊各方面性能發揮都比較充分而且穩定可靠。如果餘量太大，造成資源浪費，如果餘量太小則不利於溫升和可靠性。

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範圍的基本原則，再根據負載波動的頻率，適當的加大設計餘量的方法，儘量提高可靠性。

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。那麼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，並且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，因此一般應用業界，普遍的隔離電壓水平為1500VDC或以上。但在一些特殊的行業，比如醫療，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。

在科技高速發展的當下，產品快速開發已經成為常態化，嵌入式系統強大的處理能力，弱化了硬體設計，將大量的工作交給了軟體。標準化的硬體平臺，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周期。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 嵌入式整流模塊控制器設計
    單片機+μC/OS-II嵌入式實時作業系統作為軟硬體開發平臺的嵌入式整流模塊控制器的統一化設計方法。關鍵詞：AVR單片機；μC/OS-II；嵌入式控制器引言　　雖然目前通信電源產品中嵌入式控制系統的研發技術比較成熟，但是同一系列(如DUM系列)不同功率型號的產品具有不同的性能參數，以致控制系統採用不同的控制方法；同時，在以往的產品研發過程中，不同的嵌入式系統工程師具有不同的軟硬體設計思想，帶來了晶片應用、電路體系、軟體結構的差異
  • 電源模塊中隔離電壓3000VDC有什麼用?
    隨著嵌入式行業的快速發展，在各種行業應用中電源要求也越來越高，為保證系統的穩定性，隔離電源應運而生。但隔離電源中關鍵指標——隔離電壓指的是什麼?與爬電距離有什麼關係?本文將從隔離電源的原理為你揭曉。
  • 電源模塊應用「EMC的設計優化」
    編者按：在電源模塊應用中，EMC設計往往是重中之重，因為關乎整個用戶產品的EMC性能。那麼如何提升EMC性能呢？本文從電源模塊的設計與應用角度為您解讀。EME中包含傳導和輻射；而EMS中又包含靜電、脈衝群、浪湧等。為提升用戶系統穩定性，接下來我們將為大家講述如何靈活應用以上方法優化電源EMC，本文將從電源的設計與應用等角度介紹4種常用解決方案：本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202004/411646.htm
  • 基於嵌入式Web的遠程可控電源插座設計
    摘要：為了實現對電器的遠程控制，運用嵌入式Web技術，設計了一個可通過網際網路進行遠程訪問和控制的電源插座系統。該系統採用開源Boa作為嵌入式Web伺服器，選用光電耦合器與可控矽設計控制模塊電路。
  • 高頻開關電源系統中整流模塊的設計方案
    可以說智能高頻開關電源是一種集計算機技術、控制技術、通信技術於一體的高科技產品， 可實現系統的自動診斷、自動測試和自動控制。本文主要闡述的是智能高頻開關電源的整流模塊的設計方案。 　　1 系統總體結構介紹 　　智能高頻開關電源系統的總體結構主要由主監控單元、配電模塊、交流配電單元、整流模塊等組成， 系統總體的結構圖如圖1 所示。系統中的各個監控單元受主監控單元的管理和控制， 通過通信線將各個監控單元採集的信息送給主監控統一管理。
  • 嵌入式導航系統的組成與設計流程
    、"如何前往？"等問題，存在著前所未有的需求性。因此，以嵌入式系統為主要平臺的數碼地理整合性應用與其因應方案，也就是手持式、車載GPS全球衛星導航系統，便可解決對此人們急迫的需求性。基於S3C2440A微處理器和Win CE 5.0嵌入式作業系統，設計了一套可靠且實用的嵌入式導航系統，所提供的功能可以滿足人們現階段日常生活的需要。
  • 高頻開關電源系統中整流模塊的功能設計
    引 言本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/178530.htm　　隨著我國科技生產水平的不斷提高， 各行各業對供電質量的要求越來越高， 而智能高頻開關電源作為一種繼電保護裝置和控制迴路裝置， 為生活和生產中的供電的可靠性提供了有力的保障
  • 直流充電模塊《飛翔電源》模塊價格張家界
    直流充電模塊《飛翔電源》模塊價格張家界模塊散熱設計模塊採用自然冷卻以及風冷相結合的散熱方式。小負載時自然冷，大負載時安裝於模塊前部的風機從模塊前方抽風吹向模塊後方。因此在設計電力電源系統時，需要進行模塊的散熱風道設計。即在安排模塊位置時，應該保證模塊前後上下散熱風道的暢通，模塊前端和底部必須保留15～20cm 進風口。模塊後方儘量少安裝溫度敏感部件，設計時應避免將直流採樣盒、霍爾傳感器、配電監控盒等部件安置在模塊風道附近。
  • 嵌入式系統中USB主機控制器的設計
    過去USB僅應用於個人計算機，而在嵌入式系統領域的巨大潛力還沒有開發出來，USB在嵌入式系統中的應用包括本文將介紹在嵌入式系統中應用USB時其主機控制器的設計。
  • 一種嵌入式Web伺服器的設計方案
    由於嵌入式系統硬體資源有限，嵌入式Web伺服器的硬體結構不能很複雜，實時作業系統的系統內核、TCP/IP協議棧、各種Web文檔都必須存儲在FLASH中，這對軟體系統設計提出了較高的要求。嵌入式Web伺服器應用系統的硬體結構如圖1所示。
  • 使用混合域示波器查找無線嵌入式系統中的噪聲來源
    在把無線電晶片或模塊集成到典型的嵌入式系統中時，設計人員必須面臨的一項常見任務是追蹤和消除噪聲和雜散信號。潛在的噪聲來源包括：開關電源、來自系統其它部分的數字噪聲、以及外部噪聲來源。
  • 如何為通信電源系統選擇整流模塊
    為每一個應用場合提供最優方案是必要的，但是為此從頭開始設計每一個系統卻是不可行的。可行的是使用標準組件來配置系統。整流模塊是電源系統的心臟，選的模塊不正確，很難提供最優的電源系統配置。一個外殼設計得很糟糕的自冷模塊的可靠性比採用風冷的模塊要低得多，因為風冷模塊的冷卻與外殼設計無關。另外，風冷產品的關鍵——半導體器件比自冷系統溫升更低，因而更可靠。要求設計壽命超過7年時，傳統上不採用風扇。但是，如果允許定期更換風扇，就有可能得到設計壽命更長的風冷系統。如果風冷整流模塊設計成具有風扇性能監測、現場易於更換風扇的特性，則允許系統以低成本獲得高可靠性。
  • 關於光電倍增管(PMT)模塊的選型與使用
    PMT模塊的選型PMT模塊中不僅都集成了PMT裸管、分壓電路和高壓電源，還根據信號輸出的不同需求集成了其他的功能組件。（點擊查看看大圖）在同一系列的濱松PMT模塊中，會以後綴來區分不同的產品型號。這些後綴往往代表著不同的含義，了解它們，也可以有助於我們的產品選型。
  • 嵌入式系統USB接口的虛擬示波器設計
    USB總線具有傳輸速率高、支持異步和等時傳輸特點，並且可同時掛接127個獨立的USB設備，適合於外登式中高速、高精度採樣系統。USB技術是非贏利性的規範，已得到了廣泛工業支持。 1　系統整體設計 嵌入式處理器是由C8051F020單片機和USB總線晶片CH375組成。
  • 電源模塊可靠性測試和設計要點
    電源模塊作為現代科技賴以生存的電力來源，已經成為最為關鍵的元件之一，電源的可靠性在很大程度上會影響到設備的可靠性，所以電源的可靠性成了一切參數、性能保證的前提。影響電源模塊的可靠性有設計思路、產品工藝、測試方法、物料、使用不當等因素。設計思路、產品工藝、測試方法、物料這些是由電源模塊生產廠家控制著，如何使用是由客戶控制著。
  • 關於溫度控制中衰減器嵌入式系統的設計
    關於溫度控制中衰減器嵌入式系統的設計 工程師之餘 發表於 2018-11-12 15:58:03 高功率微波衰減器的最基本原理就是將微波功率通過衰減吸波材料轉化為熱量
  • 設計電源模塊的那些注意事項
    如果你是個電源工程師，關於電源模塊的簡介就不用看了。如果你都是小白，或是學單片機的，最好一個字一個字往下看。 電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器 (見圖1)，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數位訊號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數字或模擬負載提供供電。
  • 嵌入式Web伺服器GoAhead在電力系統通信中應用
    簡單介紹GoAhead嵌入式Web伺服器的基本特點，接著講解了嵌入式Web配置管理功能在電力系統通信中應用的工作原理及設計方法。以工業乙太網交換機為實例，介紹了軟體系統功能，並詳細討論了軟體系統工作流程。
  • 嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設計
    基於上述需求，嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口的設計為自主開發具有PROFIBUS-DP通信功能產品的用戶提供了一種快速、高效的解決方案。　　硬體設計　　嵌入式PROFIBUS-DP從站通信接口板(以下簡稱接口板)由CPU晶片、PROFIBUS協議晶片SPC3及光隔RS-485驅動等電路組成，如圖1所示。
  • 電路板供電系統應該如何設計
    電路板供電系統應該如何設計 　　我們在設計嵌入式產品時，在了解需求後，首先要設計的就是產品的供電系統，不管是產品，還是晶片IC，供電都是必不可少的。設計電路板供電系統時，首先要考慮的就是各個模塊需要的供電電壓和電流，可以籠統的說成需要多大的功率。電路板供電通常會用到兩種電，分別是強電和弱電。這裡的弱電就是低於人體的安全電壓36V電壓的電，強電自然就是指高與36V的，但是平時我們說的強電通常意味著就是220V交流電。對於強電我們可以直接從市電220V取得。對於弱電，我們可以購買市場上相應的電源適配器模塊，當然也可以直接設計適配器。