非隔离BUCK电源应用设计方案
你是不是认为所有工业现场系统的电源都应该使用隔离方案来提高可靠性呢？那你可能就走进了电源使用的误区了。或许非隔离电源方案更适合你，本文将为你一一揭晓。
对电源进行隔离的初衷是为了将电源的前级设备与后级设备隔离开来，即使是前级设备出了问题也不会损坏后级设备。但在工作环境良好或整个系统的地是共用的场合中使用隔离电源的意义就并不大了，此时可以就使用非隔离电源，其电路拓扑更简单，体积更小，效率极高并且具备短路保护、欠压保护等功能。下文将为大家介绍这个容易被大家小看的高性能电源方案。
一、非隔离buck电源拓扑优势
首先，非隔离buck拓扑电路器件少，电路简单。如下图1所示，控制器通过控制buck电路的开关mosfet管t1并让它工作在截止或饱和区来使输入输出达到伏秒平衡，从而得到我们所期望的输出电压。
其次，其相较于隔离电源转换效率更高。由于少了变压器的能量传递损耗，与使晶体管工作在放大区的传统ldo三端稳压器比起来损耗更低，如下图2所示，两者裸机大小差不多，但ldo线性电源由于效率低需要加散热片，而非隔离buck电源可直接用电路中无需散热片。
图1 经典buck拓扑电路
图2 传统ldo稳压（左）与buck稳压（右）
二、集成buck降压转换芯片
你可能会疑问，非隔离buck电源为什么能够有这样的优势呢？
非隔离buck电源之所以能有这样的优势，（是由于使用了高集成的buck芯片）是由于使用了集成buck降压转换芯片，该芯片以buck拓扑为框架将各种保护电路嵌入芯片内，使得buck降压电源模块更加安全可靠。下图3为某品牌的小体积降压转换芯片内部电路框图，其尺寸长宽仅为3mm x 2mm，具有短路保护、过热关断保护、欠压保护等功能，电路环路采用电压、电流双环控制，使得系统的稳定性更好，拥有不错的电压调整率与负载调整率，并且该类ic为了提高轻载效率，在轻载时自动进入调频模式，通过降低开关频率及损耗来提高轻载效率。
图3 集成buck电源转换芯片内部框图
三、buck非隔离降压模块性能与可靠性
采用集成buck降压转换芯片为方案的非隔离电源模块不仅体积更小，且各项性能较优越。在buck的设计中除了考虑基本的性能参数，还需要考虑什么呢？
以zlg致远电子自主研发的型号为e7815os-500的非隔离降压开板式电源模块为例，该型号的基本参数如下表1所示。各项参数均为行业领先水平，且在10%负载下的转换效率更是高达91%。
表1 e7815os-500基本性能参数
除了基本参数，我们更多需要考虑的是它的可靠性。我们都知道，电子设备的可靠性及使用寿命与其模块中电子器件的温度、电压应力、电流应力及所处的环境温度有关。模块中关键电子器件工作的环境越恶劣，电子器件的工作温度越高可靠性与寿命就越低，一般器件的最大工作结温为150℃，工作结温的降额越充足，则器件的可靠性就越高。
如下表2所示为该电源模块在常温25℃下，从低压19v到高压36v各关键电子器件的温度热成像图片，从图中可以看出该模块的关键器件表面最高温度不超过80℃，经过理论计算其内部结温不超过100℃，可保证模块的可靠性。
表2 关键器件温度
如下表3所示为集成ic内部mosfet与外部续流二极管在常温25℃下的实测电压应力及电流应力，其电压、电流应力留有一定裕量保证模块可靠性。
表3 关键器件电压、电流应力
四、在应用中怎样提高非隔离电源的可靠性
设计完一款非隔离电源之后，我们要如何保证在现场应用中发挥其优越的性能呢？
首先要明确的是非隔离模块虽然没有隔离前后级的特性，但只要在一些应用场合中提高它的可靠性是完全可以不需要具有隔离功能的电源模块，因此提高非隔离电源的应用可靠性是极其重要的。
从使用者出发，做到预留充足的余量。大多数电源设计工程师在权衡性能指标、器件成本下，往往做不到把所有电子器件的安全工作裕量留得很足，在某些异常情况下想要更好的提高模块的可靠性，应用的工程师除了要按照数据手册的要求使用外，在选用模块时也要留有30%以上的降额，这里的降额不仅指输出负载的降额，也指输入电压的降额。例如：如下表4所示，型号为e7815os-500的非隔离电源模块输入电压在24v以下时效率较高，而负载在50%~70%内效率较高且稳定，则可以选择在输入电压为19v~24v、负载为50%~70%内使用可靠性相对安全性较高。
从开发人员出发，设计进行完善的可靠性测试。当然，除了对输入电压、负载电流进行降额使用以外，还可以增加外围电路通过电磁兼容（emc）相关的实验来提高它的可靠性。
表4 效率与电压、负载关系曲线图
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一、非隔离buck电源拓扑优势
首先，非隔离buck拓扑电路器件少，电路简单。如下图1所示，控制器通过控制buck电路的开关mosfet管t1并让它工作在截止或饱和区来使输入输出达到伏秒平衡，从而得到我们所期望的输出电压。
其次，其相较于隔离电源转换效率更高。由于少了变压器的能量传递损耗，与使晶体管工作在放大区的传统ldo三端稳压器比起来损耗更低，如下图2所示，两者裸机大小差不多，但ldo线性电源由于效率低需要加散热片，而非隔离buck电源可直接用电路中无需散热片。
图1 经典buck拓扑电路
图2 传统ldo稳压（左）与buck稳压（右）
二、集成buck降压转换芯片
你可能会疑问，非隔离buck电源为什么能够有这样的优势呢？
非隔离buck电源之所以能有这样的优势，（是由于使用了高集成的buck芯片）是由于使用了集成buck降压转换芯片，该芯片以buck拓扑为框架将各种保护电路嵌入芯片内，使得buck降压电源模块更加安全可靠。下图3为某品牌的小体积降压转换芯片内部电路框图，其尺寸长宽仅为3mm x 2mm，具有短路保护、过热关断保护、欠压保护等功能，电路环路采用电压、电流双环控制，使得系统的稳定性更好，拥有不错的电压调整率与负载调整率，并且该类ic为了提高轻载效率，在轻载时自动进入调频模式，通过降低开关频率及损耗来提高轻载效率。
图3 集成buck电源转换芯片内部框图
三、buck非隔离降压模块性能与可靠性
采用集成buck降压转换芯片为方案的非隔离电源模块不仅体积更小，且各项性能较优越。在buck的设计中除了考虑基本的性能参数，还需要考虑什么呢？
以zlg致远电子自主研发的型号为e7815os-500的非隔离降压开板式电源模块为例，该型号的基本参数如下表1所示。各项参数均为行业领先水平，且在10%负载下的转换效率更是高达91%。
表1 e7815os-500基本性能参数
除了基本参数，我们更多需要考虑的是它的可靠性。我们都知道，电子设备的可靠性及使用寿命与其模块中电子器件的温度、电压应力、电流应力及所处的环境温度有关。模块中关键电子器件工作的环境越恶劣，电子器件的工作温度越高可靠性与寿命就越低，一般器件的最大工作结温为150℃，工作结温的降额越充足，则器件的可靠性就越高。
如下表2所示为该电源模块在常温25℃下，从低压19v到高压36v各关键电子器件的温度热成像图片，从图中可以看出该模块的关键器件表面最高温度不超过80℃，经过理论计算其内部结温不超过100℃，可保证模块的可靠性。
表2 关键器件温度
如下表3所示为集成ic内部mosfet与外部续流二极管在常温25℃下的实测电压应力及电流应力，其电压、电流应力留有一定裕量保证模块可靠性。
表3 关键器件电压、电流应力
四、在应用中怎样提高非隔离电源的可靠性
设计完一款非隔离电源之后，我们要如何保证在现场应用中发挥其优越的性能呢？
首先要明确的是非隔离模块虽然没有隔离前后级的特性，但只要在一些应用场合中提高它的可靠性是完全可以不需要具有隔离功能的电源模块，因此提高非隔离电源的应用可靠性是极其重要的。
从使用者出发，做到预留充足的余量。大多数电源设计工程师在权衡性能指标、器件成本下，往往做不到把所有电子器件的安全工作裕量留得很足，在某些异常情况下想要更好的提高模块的可靠性，应用的工程师除了要按照数据手册的要求使用外，在选用模块时也要留有30%以上的降额，这里的降额不仅指输出负载的降额，也指输入电压的降额。例如：如下表4所示，型号为e7815os-500的非隔离电源模块输入电压在24v以下时效率较高，而负载在50%~70%内效率较高且稳定，则可以选择在输入电压为19v~24v、负载为50%~70%内使用可靠性相对安全性较高。
从开发人员出发，设计进行完善的可靠性测试。当然，除了对输入电压、负载电流进行降额使用以外，还可以增加外围电路通过电磁兼容（emc）相关的实验来提高它的可靠性。
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