为您的设计正确选择电源的技巧 - 从精确的直流/直流转换器测量开始

车主们津津乐道的话题之一是其车辆的性能数据。

许多人已经说过，当消费者汽车的耗油量超过制造商规格 1 到 2 升时，消费者便被误导了，但是“误导”这个词使用得正确吗？或者我们讨论的是电子行业设计者早已熟悉的话题，即实验室收集的数据不同于实际使用中收集的数据吗？

怎么会这样？读数真的不准确吗，或者在将交流/直流电源或直流/直流转换器集成到电路中时，有什么需要考虑的因素？

最终，每个人都应该清楚，与在最近山上满载四口之家的汽车相比，在规定测试车道上测试的空载汽车的耗油量更低。

一般来说，个人情况（比如预算）将决定我们购买哪种汽车，但是应如何选择合适的动力组件呢？

图片：Traco Power 产品系列中的各种直流/直流模块

分析需求

我们应该做的第一件事是确定各自的电源需求，这引出了一些明显很简单的初步问题。

关键目标是使电源应用的输入电压达到新的电位。

• 电位是否应该分开？
• 输入和输出电压的范围是多少，需要哪一路输出电流来执行什么操作？
• 需要为哪些设计预留空间？例如，板卡上的其他组件对此是否有要求？
• 需要电路的最终产品是什么？
• 需要遵守哪些法规？工业、铁路还是医疗法规？
• 该电源将会应用在哪些环境条件下？
• 整个电路和应用应该或必须有多可靠？

因此，尽管保时捷 911 是一辆很棒的车，但很容易理解它为什么不适合在南美雨林中探险 – 在那里，四轮驱动的吉普车很可能是更好的选择。

但是，选择合适的电源并不总是像选择合适的汽车那么简单。

一旦解决了这些标准的基本问题，我们就可以更全面地研究以下问题：

• 如何正确衡量并避免错误？
• 如何处理纹波和噪声？
• 出现浪涌电流时会发生什么？
• 关于电磁兼容性 (EMC)，我需要知道什么？

瑞士制造商 Traco Power 的产品组合包括超过 25 个 3 瓦直流/直流转换器系列，例如具有超低纹波和噪声的 TVN 系列或 THM 系列（该系列经认证可用于医疗应用）、开架式型号或批准用于铁路应用的 TMR-WIR 系列（具有 3000 V 直流隔离电压），这些产品提供了大量可能性。

我们可能都喜欢一下子就能满足所有必要要求的转换器，即获得现成的解决方案，但通常我们需要花费更多，这是因为我们需要不止一个转换器来满足要求或需要额外布线来实现我们需要的数值。

那么，我们需要如何找到解决方案呢？第一步是确定我们需要哪些测量值 – 一个简单的测量可以让我们轻松地进行以下粗略评估：转换器和负载的输入和输出电压和电流以及可能的效率变化。

避免测量误差

需要考虑的一个基本问题是，每一次测量都会改变电路的实际状态，任何影响都需要保持尽可能小。

这意味着，即使对于“简单测量”，也应当进行 4 线测量。用独立的测试线测量电流和电压意味着其固有电阻对数值的影响较小。  

考虑最终用途也很重要。

例如，在手术室中，电源和实际负载之间可能有 30 m 的电线。如果所需负载为 24 V，则电源需要更高的输出电压来抵消电线中的电压损耗。

这意味着负载和电源都需要测量。请参见下方在电源处进行典型 4 线电压测量的示例。

图片：对电源和负载进行 4 线测量的电路图

测定和减轻纹波和噪声

为什么要测量纹波和噪声？

不管什么应用，直流/直流转换器的纹波和噪声都可能位于其实际工作区域，例如位于测量桥中，这就需要单独考虑和评估。

什么是纹波和噪声，如何“干净地”测量它们？

当内部电路引起不规则干扰时，我们会说交流/直流和直流/直流电路中存在纹波，而噪声是指由开关频率下的变换脉冲产生的周期性峰值。

为了测定实际值，探头必须与引脚、接地环以及与之接触的测量尖端直接接触。（见下文）为了能够将测量结果与制造商的数据进行比较，示波器的带宽限制为 20 MHz，这是实验室中常用的数值。

图片：测量尖端正确接触带引脚的直流/直流转换器

通常使用两个并联开关的电容器，例如一个 100 nF 金属薄膜电容器和一个 10 µF 电解电容器，可以简单地降低噪声和纹波，应始终记住在最终使用过程中，数据表中显示的值会受到其他因素的影响。

处理浪涌电流

这些信息对于确保上游组件的尺寸正确非常重要。

• 电流基本上取决于开关速度，所以在理想情况下，实验室应该使用水银开关
• 电源应具有尽可能最低的内部电阻
• 电流用去磁化尖端来测量

环境温度对浪涌电流也有很大影响。例如，电解电容器的使用高度依赖于温度。

下图显示了 LED 灯中浪涌电压（黄线）的示例。该图还显示了灯中的电压模式（紫线）。图中标记了打开器件的那一点（T，橙色），在 10 A 左右达到最大值，并且在 10 ms 内又回到了 300 mA

图片：处于非活动状态（低温 = 室温 25°C）的直流/直流转换器的浪涌电压

如果您遇到浪涌电压影响电路的问题，使用热敏电阻器 (NTC) 会有所帮助。

电磁兼容性

确定一般应用的 EMC 兼容性（电磁兼容性）也很重要。使用带有内部滤波器的直流/直流转换器并不等于您将遵守指定的应用值，因为 EMC 兼容性经常会受到多个组件的影响。

在许多情况下，出于安全原因，输出电压必须与保护接地连接，这可能会对 EMC 产生重大影响。通常，电源制造商可以提供有关如何遵守 EMC 值的建议。

大多数电源制造商会在其网站上提供适用滤波器的帮助建议，例如，在 www.tracopower.com 网站上可以从相关设备页面上直接下载。如果找不到所选产品的电路图，可以直接通过电话或电子邮件联系制造商。

总结

总之，如果您可以获取制造商的帮助和简单的可用资源，就不需要花费很大的精力来确定设计所需的电源组件。

在进行任何评估和选择之前，清楚地确定您的需求很重要，确定您真正需要什么和您想要什么之间存在很大的区别。

回到本文开头提到的汽车制造商，重要的是要考虑如何正确地进行测量，以及每次测量如何影响收集的数值。测试条和实验室条件是在构建电路时定义的，但是实际上电路将在哪些条件下使用？

如果市场上没有合适的器件，通过串联或并联开关或者使用滤波器是否可能会产生所需的结果？

满足 EMC 要求在很大程度上取决于应用领域及其前提条件，就像处理纹波、噪声和浪涌电流一样。

众所周知，世界上有许多制造商，因此某一特定产品的质量和价格会有很大差异。

选择一个简单的“批量生产的非品牌器件”就足够了吗，或者为了省钱会不会在之后的使用过程中带来麻烦？您总是需要选择高端产品吗？

不管给予什么建议，最终的决定权都在客户那里，但 Traco Power 作为一家欧洲制造商的优势在于能为客户提供多语言支持和德语支持。

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