模块电源设计方法以及串并联应用分析 工作, 设计, 开发, 电源

forsuccess

电源模块是目前设计人员的最佳选择，以模块式电源取代分立式组件的设计方案，好比使用微处理器来替代集成电路，它可以更灵活、更快捷地完成系统设计及开发，缩短产品开发或更改设计所花费的时间，节省人力及技术投资。
系统电源设计是应用系统设计中的一项极重要的工作，它对整个系统是否能正常工作起着至关重要的作用。因此，在开发一个系统时，如果最后才设计电源的话，往往很容易导致成本增加及可靠度下降，一开始就将电源在系统中进行整体设计，就能节省开支、缩短开发时程并提高产品的可靠度。
电源模块选用方法
电源模块的选用，首先必须确定电源规格，主要为电源功率、电源输出电压、输出端口数及电源尺寸。而在设计系统时，则尽可能选用市场上通用的电源模块，这些电源大多可与其他品牌模块电源接口通用。如此可缩短设计及开发时程、降低成本并提高产品可靠度。因此，在系统设计时，可将电源模块搭配不同的组合方式来达到提高输出电压、输出电流或备份应用，有效的减少系统电源的种类，提高电源模块的共享性及可靠度。
电源模块串联应用
在实际应用中，由于板载面积、成本要求、特殊应用等需求，电源模块产品常常需要串联工作以获得较高的输出电压，其组合应用方式分述如下。
1.双路输出电源模块：



图2-1为一般常见的串联工作应用，为了获得较高的电压输出，可将两个电源模块的输出串联起来，然后直接与负载连接，可得到两组输出相加之后的输出电压(Vo1+Vo2)。
建议用户在各组输出并上二极管，用来防止两组输出因启动时间差，在输出端产生不正常的电流路径所造成的不良影响，串联后的输出电压，可再加上输出电容，用以降低因两电源模块差频所造成的Ripple& Noise。
2.双路输出电源模块：
　　

图2-2为两个双路输出电源模块串联接线方式，因此，可得到四组Vout相加后的输出电压。单一个双路输出电源模块，其两组输出之启动时间是一致的，故仅需在+/-Vo1及+/-Vo2各并上二极管即可，如图左所示。在右图中，输出端共并上4颗二极管，此方式亦可行，但较浪费成本。串联后的输出电压，可再加上输出电容，用以降低因两电源模块差频所造成的Ripple& Noise。
二极管的选用，应选择正向导通压降低的二极管，如萧特基二极管，且其反向耐压应大于对应的电源输出电压，顺向电流额定值应大于串联负载电流。
电源模块并联应用
在实际应用中，电源模块可透过两组或多组并联，来达到多倍的输出功率，供系统使用。一般的电源模块大多为固定电压输出，除非电源模块本身具有可并联操作功能，否则不应该并联使用。主要的考虑点在于两个电源模块的输出电压调整不可能完全相等，那么输出电压较高的模块将会提供全部的负载电流。其次，即使两个电源模块的输出电压调整为完全相等，也会由于两者不同的输出阻抗及其随时间和温度不同产生的变化，将会造成两个电源模块的负载电流不平衡，因此，与串联应用相比，电源模块输出的并联就相对困难许多。下面就几个常见的电源模块并联应用方式说明如下。
1.DropResistor：



在两组电源模块的输出端，分别串接Drop电阻，再并联使用，如图3-1所示。此种方式主要利用输出电流对R1及R2形成的线性电压降，使得两组电源模块会尽量达到平衡供应负载的目的，避免输出电压较高的电源模块来提供大部份的负载需求。
此种方式的成本较低，适合使用在精度要求不高的系统应用中。
2.DecouplingDiode：



图3-2为使用Decoupling Diode方式的输出并联应用方式，其方式为在二组电源模块的输出端，分别串接上二极管，再并联使用。其原理与Drop Resistor相同，使用D1与D2取代电阻的作用，而使用二极管的好处，还可用来防止不同电源模块之输出电压逆流到另一个电源模块，这在某些电源架构上是需要的。
此种方式的成本较低，适合使用在精度要求不高的系统应用中。
3.CurrentShare：



如图3-3，为使用Current share专用IC进行并联使用，在此种方式，每一个电源模块本身需具备有Remote sense或Trim的功能，方可进行均流控制。
依据实际使用经验，此种方式的每一个电源模块都可以均流输出，对电源模块的寿命有帮助，但成本相对较高，适合应用于有较高精确度要求的应用场合。
电源模块备援应用举例
利用电源模块备援功能应用主要是将两个相同的模块输出通过二极管后并联连接，可使输出能力倍增，同时提高了电源系统的可靠度。备援系统大多以N+1来表示，即以N个电源模块提供系统所需的额定电源，另外至少再多1组电源模块，做为备援用途，以防止电源模块产生不良时造成系统无法持续运作，维持系统的正常运作。如果再搭配允许热插拔的电源模块及相应输出的警报电路，将电源模块放在可以拆卸的母线上，当故障出现时，可将电源模块实时更换，电源系统将会拥有非常高的可靠性。
1.OR-ingDiode：



在两组或多组电源模块输出回路中，各串接二极管后并联连接，使得当单一模块产生异常时，其它模块可接续提供电源，维持系统工常运作。其中二极管应选择低顺向导通电压降(LowVf)，以降低导通损失。
2.OR-ingFET：



OR-ingFET的应用方式及作用同OR-ingDiode，主要的差异在于OR-ingFET使用MOSFET取代Diode，以降低导通损失。使用OR-ingFET方式需要额外的控制电路，成本较高。
多组电源之EMI Decoupling
在一电源系统中，若同时使用多组电源模块，且输入端使用同一电源时，为防止二组或多组电源模块之间的交互干扰，形成系统所不乐见的EMI问题，甚至造成系统误动作的谐波，此时，可在电源系统前端与EMIfilter之间加入L1、C1、L2与C2来减低电源模块之间的交互干扰。