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(lái)。但電源模塊的種類(lèi)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(chǎng)競爭中，產(chǎn)品的快速設計與開(kāi)發(fā)無(wú)疑已經(jīng)成為領(lǐng)先致勝、快速占領(lǐng)商機的必要條件。在項目經(jīng)理的“鞭策”和項目周期越來(lái)越短的普遍情況下，模塊化開(kāi)發(fā)，平臺化開(kāi)發(fā)，方案引用式開(kāi)發(fā)模式已經(jīng)被越來(lái)越多的系統設計人員和硬件工程師接受使用。
任何一個(gè)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，都逃不開(kāi)電源的設計。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，電源的設計優(yōu)劣，輕則影響整個(gè)產(chǎn)品的性能，重則影響整個(gè)項目的成敗。而電源設計，又以其專(zhuān)業(yè)程度高，調試周期長(cháng)，故障排查難等特點(diǎn)，讓“攻城獅”們深?lèi)和唇^。
在此等大背景下，模塊電源應運而生，為“攻城獅”們帶來(lái)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(zhù)特點(diǎn)，在通信、網(wǎng)絡(luò )、工控、鐵路等領(lǐng)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?xún)r(jià)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(diǎn)不一樣的，講講嵌入式系統設計時(shí)DC/DC電源模塊選型時(shí)比較容易糾結的幾個(gè)問(wèn)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)嵌入式系統工程師都會(huì )思考的問(wèn)題。
從隔離的目的來(lái)說(shuō)，可以將隔離分為安全隔離和噪聲隔離兩大類(lèi)。由于嵌入式系統的應用廣泛性，在硬件設計中，經(jīng)常會(huì )遇到多電壓供電，數模混合，高速低速信號同板等復雜的情況，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重啟、癱瘓等。此時(shí)，隔離就顯得尤為重要，在嵌入式系統的設計中，一般都會(huì )選擇使用隔離電源模塊對PCB不同區塊進(jìn)行隔離供電，從最大限度上減少噪聲干擾，提高系統穩定性。
另外，在含有工業(yè)總線(xiàn)的嵌入式系統中，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(xiàn)部分和嵌入式系統部分進(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(guò)總線(xiàn)進(jìn)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(ài)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(wèn)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)品設計中亙古不變的話(huà)題。
對于同樣輸入輸出電壓的DC/DC電源模塊來(lái)說(shuō)，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(chē)規級（-40~105℃）、專(zhuān)用級（-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(shí)際使用功率已經(jīng)接近模塊額定功率，那么模塊標稱(chēng)的溫度范圍就必須嚴格滿(mǎn)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(chē)”，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，就需要根據實(shí)際的情況，綜合考慮了。
三、功率余量留多少？
“設計余量”，一個(gè)讓人又愛(ài)又恨的指標。余量設計的本質(zhì)是預防意外，它雖然與品質(zhì)無(wú)關(guān)，但余量設計不足，會(huì )存在質(zhì)量問(wèn)題的隱患，余量設計過(guò)大，又會(huì )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，有的負載較穩定，有的負載波動(dòng)較大，有的甚至還會(huì )有空載、或滿(mǎn)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。
一般情況下，負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設計的穩定性和抗意外能力，建議根據實(shí)際情況，最小預留20%的設計余量，既實(shí)際使用中最大功率不超過(guò)電源模塊額定功率的80%，在這個(gè)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(dòng)較大的負載，設計應當滿(mǎn)足峰值電流不超過(guò)電源模塊最大承受范圍的基本原則，再根據負載波動(dòng)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？
非也非也！
隔離電壓，是隔離型DC/DC電源模塊的一個(gè)重要指標，一般分1000VDC、1500VDC、2000VDC、3000VDC、6000VDC等規格，是指在一定時(shí)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(chǎng)合來(lái)選擇。一般場(chǎng)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)，比如醫療，戶(hù)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(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)已經(jīng)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(dòng)，使產(chǎn)品快速成型推向市場(chǎng)成為可能。在越來(lái)越緊湊的項目周期下，越來(lái)越多的嵌入式系統設計工程師已經(jīng)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(gè)產(chǎn)品的研發(fā)周期。
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