单板电源设计要点

技 术 文 件 技术文件名称：单板电源设计要点 技术文件编号： 版 本：V1.0 文件质量等级：共 4 页(包括封面) 拟 制 陈永铭 审 核 会 签 标准化 批 准 深圳市中兴通讯股份有限公司1Input Fusing1.1概述所有模块如无特殊说明均需加保险丝。保险丝按熔断速度分，可分为：特慢速保险丝（一般用TT表示）、慢速保险丝（一般用T表示）、中速保险丝（一般用M表示）、快速保险丝（一般用F表示）、特快速保险丝（一般用FF表示）。慢速保险丝也叫延时保险丝，它的延时特性表现在电路出现非故障脉冲电流时保持完好而能对长时间的过载提供保护。有些电路在开关瞬间的电流大于几倍正常工作电流，尽管这种电流峰值很高，但是它出现的时间很短，我们称它为脉冲电流也有称它为冲击电流或叫它为浪涌电流。普通的保险丝是承受不了这种电流的，这样的电路中若使用的是普通保险丝恐怕就无法正常开机了，若使用更大规格的保险丝，那么当电路过载时又得不到保护。延时保险丝的熔体经特殊加工而成，它具有吸收能量的作用，调整能量吸收量就能使它即可以抗住冲击电流又能对过载提供保护。保险丝有一个熔断系数其值大于1（一般在1.1至1.5之间），它是常规不熔断电流与额定电流的比值。由此可以看出，即使流过保险丝的电流大于它的额定电流而未超过常规不熔断电流，保险丝也不应该发生熔断现象。1.2使用建议由于我们使用的保险丝基本上都是快速保险丝，而非专用的慢速保险丝，考虑到我们都使用了缓启动电路，在选用保险丝的时候我们需要提高1.5-2.5倍的余量。一般情况下取2，考虑保险丝自身熔断系数为1.2，则2A保险丝允许的实际工作电流为：21.2/21.2A。考虑最低电压为40V，则单板实际功耗为401.248W。因此建议45W以下的单板使用2A保险丝，45W以上选用5A保险丝。熔丝的选择还要验证是否满足安全标准的要求，建议做一个单点故障，实验模拟模块外加的输入电容短路，看熔丝能否及时烧断、PCB走线、共模电感有无过高温升。熔丝能够及时保护算通过。2电源滤波电容的选取和使用2.1 耐压降额耐压降额满足公司降额要求。推荐钽电容的耐压要降额到1/3；纹波电流大和冲击电流大可能引起钽电容失效；避免使用大容量钽电容；可用并联的形式；热插拔等电源瞬变场合谨慎选用钽电容表1 固体陶瓷电容器降额准则降 额降 额 等 级参 数直流工作电压0.600.70环 境 温 度TAM1)10注：1）最高额定环境温度TAM由元件相关详细规范确定。表2 电解电容器降额准则 降额降 额 等 级参数直流工作电压0.75铝电解环境温度TAM20直流工作电压0.600.70钽电解环境温度TAM1)20注：1) 最高额定环境温度TAM由元件相关详细规范确定。关于I级降额 I级降额是最大的降额，对元器件使用可靠性的改善最大。超过它的更大降额，通常对元器件可靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。 I级降额适用于下述情况：设备的失效将导致人员伤亡或装备与保障设施的严重破坏；对设备有高可靠性要求，且采用新技术、新工艺的设计；由于费用和技术原因，设备失效后无法或不宜维修；系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。 b)II级降额 II级降额是中等降额，对元器件使用可靠性有明显改善。II级降额在设计上较I级降额易于实现。 II级降额适用于下述情况：设备的失效将可能引起装备与保障设施的损坏；有高可靠性要求，且采用了某些专门的设计；需支付较高的维修费用。 c) III级降额 III级降额是最小的降额，对元器件使用可靠性改善的相对效益最大，但可靠性改善的绝对效果不如I级和II级降额。III级降额在设计上最易实现。 III级降额适用于下述情况：设备失效不会造成人员和设施的伤亡和破坏；设备采用成熟的标准设计。2.2 温度降额工作温度不得超过电容额定温度。有特殊要求的电容需要标注参数，固定纸/塑料薄膜电容器、固定玻璃釉电容器、固定云母电容器、固定陶瓷电容器、可变电容器工作状态下的环境温度较最高额定环境温度低10；电解电容器工作状态下的环境温度较最高额定环境温度低20。特别注意：电解电容器的最高额定温度等级不同，通常分为+85度，+105度和+125度三种。由于我们的单板电源附近的温度都较高，所以电解电容器的最高额定温度至少应该选+105度。2.3 电源滤波方式推荐电源滤波可采用LC、型滤波。电源滤波建议优选磁珠，然后才是电感，同时电感也要考虑电阻。输入滤波至少需要一级共模滤波，推荐两级共模滤波。对于非隔离式DCDC输入端推荐如下滤波：330uF：04603020001547uF：0460302000091uF：0460505000230.1uF: 046050300046越小的电容应摆放于越靠近电源输入端的地方。推荐大容量电容必须并联小容量陶瓷或薄膜电容，一方面因为长的引线会有高频干扰，并且去耦电容具有BYPASS静电和EMI方面的一些作用。其中输入端的陶瓷电容应当尽量靠近模块，输出端的陶瓷电容和低ESR电容应当尽量靠近负载，以改善实际滤波效果，并避免引起不稳定等问题。DCDC模块可以加输出滤波，但应注意如果使用电感则负载端的动态响应稍差一点，但纹波则可比不加小一点。2.4 电容位置推荐输入端的外加电容应将可能靠近模块输入正负端子的位置。推荐输出滤波中应将低ESR的陶瓷电容尽可能近的加在负载端，此外还可在负载端加大的电解电容以应对负载的较大动态变化。应尽可能减小走线电感和电容。但是对于输出电流3A以下，负载电容不应大于2200uF，对于输出电流3A以上，负载电容不应大于10000uF。2.5 LDO的电容要求LDO输出端滤波电容选取时注意参照手册要求的最小电容、电容的ESR/ESL等要求，要求采用多个等值电容并联的方式，增加可靠性以及提高性能。具体情况参考器件说明书进行。2.6 其它考虑避免出现有极性的耦合电容有反向电压，串联电感时可能出现反激电压。3电源反接处理电源要有防反接处理，输入电流超过3A，输入电源反接只允许损坏保险丝；低于或等于3A,输入电源反接不允许损坏任何器件。可加入防反接的串联二级管。但应注意二极管应放在防雷泄放通路之后。4插座上电源的针数应能够承受可能出现的最大电流 (包括热插拔时的电流)。插座有额定电流的参数，插座电源的针承受最大电流不得超过其额定电流，并要求有一定的降额。例如欧式48PIN的插座，每根针通过的电流不得超过1A。5关于sense端当不使用此功能时建议将sense端和vout用尽量短的线直接连起来。注意sense端子连接的极性，即sense和+Vout连接，-sense和-Vout连接。 6LDO等芯片的散热包括LDO、功率MOSFET等功耗较大的器件，在单板上都应保证有足够大的散热焊盘，例如输入软启动用的管子IRF120、IRF3710等器件，在其漏极焊盘上应当适当增大铺铜面积，改善散热。7降额设计由于多数模块所标定的满负荷功率都是在温度较低情况下测定的，而单板工作时温度都较高，所以必须参考温度曲线做降额设计。开放式模块应当提供足够的风冷条件，并关注功率降额，以保证可靠性；铝基板基板模块等在使用功率较大（例如超过3040左右额定输出）时，需要增加散热器。8输出电感输出端可以加滤波电感，但电感量必须较小，对5V以下输出的模块来说，模块内部滤波电感通常在1uH的数量级，电感量较大，则会影响负载点的动态响应。比较好的是选用一种中间有两根导线穿过的磁珠。如下图，这样有一定共模滤波和差模滤波效果，可以滤除高频杂音。在使用外加输出LC滤波时，严重不推荐使用sense功能。如果不可避免这样的情况，则滤波电感应当放在sense点后面，如下图。9电源模块位置DC/DC在单板中应摆放于远离易受干扰的电路的位置。单板中DC/DC模块不应有易受干扰电路，例如存在较大回路面积的走线。DC/DC模块下面也不应有信号线穿越，通常推荐为一块连接到输入负端的覆铜，改善EMC和EMI性能。10. DC/DC模块在运输，生产，使用中应设法减小震动。11关于TVS二极管的选型TVS二极管有单向和多向之分，单向TVS在正向电压下类似于普通二极管，只在有反向浪涌电压时起保护作用，而双向TVS则在两个方向的浪涌时都有保护作用。请注意下列主要指标：Vrwm 电路正常工作电压Ipp TVS所可能受到的最大浪涌瞬态电流Vc TVS两端可能受到的最大电压Cj 保证信号完整性所能接受的最大负载电容12关于电源的爬电距离和隔离距离问题：根据安规要求，我们设备属于TNV2电路。污染级别为2极其各个信号的隔离建议如下：信号1信号1隔离类型爬电距离隔离48V48V地Functional1.4mm0.6mm48V，48V地保护地Basic1.4mm0.7mm48V，48V地数字地，3.3VBasic1.4mm0.7mm保护地数字地，3.3VFunctional1.4mm0.6mm对于GND和GNDP的爬电距离确因信号定义问题可能无法执行的，不强制执行。请教了EDA的工艺人员，得知单板内部同一层上不同信号之间有半固化片绝缘隔离，等同于层与层之间的绝缘效果，而不是空气隔离，所以在单板的内层不存在电气间隙的问题。但是单板表面和底层的爬电距离仍然需要。因此重新规定：1。单板TOP和Bottom层仍然需要保证爬电距离为1.4mm；我们是低电压二次电路设备，IIIa或者IIIb材料，II级污染；2。单板内层同层信号之间不需要手动避让，使用PIN脚和过孔VIA默认的避让距离即可。目前3芯电源Pin的避让是8mil；电源模块引脚是10mil;电源部分的过孔避让为10mil；3。在3芯电源插座到保险丝之间的区域不要使用多层电源叠层，而是挖空；另：已经在PCB内层做了手工隔离的设计保持该隔离，没有坏处；