在日趋激烈的市场竞争中，产品的快速设计与开发无疑已经成为领先致胜、快速占领商机的必要条件。在项目经理的“鞭策”和项目周期越来越短的普遍情况下，模块化开发，平台化开发，方案引用式开发模式已经被越来越多的系统设计人员和硬件工程师接受使用。

　　图1 模块化设计产物——模块化手机

　　任何一个电子产品的开发，都逃不开电源的设计。如果将产品比作人，那么电源就好比一个人的心脏，心脏的健康与否，关乎到人的生死存亡。同样，电源的设计优劣，轻则影响整个产品的性能，重则影响整个项目的成败。而电源设计，又以其专业程度高，调试周期长，故障排查难等特点，让“攻城狮”们深恶痛绝。

　　在此等大背景下，模块电源应运而生，为“攻城狮”们带来了福音。其中DC/DC电源模块又以其体积小巧、性能优异、使用方便、综合成本低等显著特点，在通信、网络、工控、铁路等领域得到广泛的应用。

　　那么，在型号繁多，参数各不相同，品牌众多的电源模块中，怎样筛选出既合适，性价比又高的DC/DC电源模块呢?一般标准选型方法大家都比较熟悉，这次我们讲点不一样的，讲讲嵌入式系统设计时DC/DC电源模块选型时比较容易纠结的几个问题。

　　一、隔离or非隔离?

　　“这部分电路到底需不需要隔离?”这基本上是每一个嵌入式系统工程师都会思考的问题。

　　从隔离的目的来说，可以将隔离分为安全隔离和噪声隔离两大类。由于嵌入式系统的应用广泛性，在硬件设计中，经常会遇到多电压供电，数模混合，高速低速信号同板等复杂的情况，处理稍有不慎，就会引入干扰，轻则降低产品性能，重则干扰通信甚至引起系统重启、瘫痪等。此时，隔离就显得尤为重要，在嵌入式系统的设计中，一般都会选择使用隔离电源模块对PCB不同区块进行隔离供电，从最大限度上减少噪声干扰，提高系统稳定性。

　　图2 致远电子3W宽压隔离电源模块

　　另外，在含有工业总线的嵌入式系统中，常常会面临浪涌、电弧干扰、雷击等恶劣环境，因此需要将总线部分和嵌入式系统部分进行安全隔离。隔离不仅能消除接地环路的干扰，还能阻隔外界恶劣环境因素影响通过总线进入核心系统，保证核心系统安全的作用。

　　二、性能VS 成本?

　　“性能”和“成本”是一对相爱相杀的冤家，让多少工程师面临两难的选择，多少辛辛苦苦做的方案，由于成本问题不得不放弃。是为了性能不顾成本?还是为了成本牺牲性能?怎样平衡性能和成本，这是在产品设计中亘古不变的话题。

　　图3 性能和成本之争

　　对于同样输入输出电压的DC/DC电源模块来说，输出功率和工作温度范围是影响其成本的主要因素。电子器件工作温度范围一般分为：商业级(0~70℃)、工业级(-40~85℃)、车规级(-40~105℃)、军品级(-55~125℃)等。由于温度等级不同，对材料和制造工艺的要求不同，模块成本就相差很大了。

　　如果在体积(封装形式)一定的条件下实际使用功率已经接近模块额定功率，那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际使用需求甚至略有余量。如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品，实际使用温度已经逼近模块极限温度的情况，怎么办呢?这时可以采用降额使用的办法，即选择功率或封装更大一些的产品，这样“大马拉小车”，温升低，能够从一定程度上缓解这一矛盾。

　　总之要么选择宽温度范围的产品，功率利用更充分，封装也更小一些，但价格较高;要么选择一般温度范围产品，价格低一些，功率余量和封装形式就得大一些。到底怎样选择，就需要根据实际的情况，综合考虑了。

　　三、功率余量留多少?10%、20%、还是30%?

　　“设计余量”，一个让人又爱又恨的指标。余量设计的本质是预防意外，它虽然与品质无关，但余量设计不足，会存在质量问题的隐患，余量设计过大，又会造成成本的升高。

　　由于嵌入式系统应用的广泛性，负载也具有多样性，有的是阻性负载，有的是感性或容性负载，有的负载较稳定，有的负载波动较大，有的甚至还会有空载、或满载、或瞬间负载变大、或瞬间负载跌落的情况发生，这给确定电源模块的功率等级造成一定的难度。

　　图4 嵌入式开发应用广泛

　　一般情况下，负载电流的大小是决定功率的关键因素，为考虑到嵌入式系统设计的稳定性和抗意外能力，建议根据实际情况，最小预留20%的设计余量，既实际使用中最大功率不超过电源模块额定功率的80%，在这个功率范围内电源模块各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。如果余量太大，造成资源浪费，如果余量太小则不利于温升和可靠性。

　　对于波动较大的负载，设计应当满足峰值电流不超过电源模块最大承受范围的基本原则，再根据负载波动的频率，适当的加大设计余量的方法，尽量提高可靠性。

　　四、隔离电压越大越好?

　　隔离电压，是隔离型DC/DC电源模块的一个重要指标，一般分1000VDC、1500VDC、2000VDC、3000VDC、6000VDC等规格，是指在一定时间内(通常是1秒)电源模块所能承受的、施加在输入端和输出端之间的最高电压。隔离电压等级越高，电源模块内部的保护器件和设计工艺要求就越高，从根本上讲，就是成本越高。那么怎样选择合适的隔离电压呢?

　　电源模块的隔离电压，需要根据应用场合来选择。一般场合使用对电源模块隔离电压要求不是很高，但是更高的隔离电压可以保证模块电源具有更小的漏电流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，加之嵌入式系统核心器件集成度高，封装小，相对比较脆弱，因此一般应用业界，普遍的隔离电压水平为1500VDC或以上。但在一些特殊的行业，比如医疗，户外通信基站，高压电力等，对电源模块的隔离度要求则更高。

　　在科技高速发展的当下，产品快速开发已经成为常态化，嵌入式系统强大的处理能力，弱化了硬件设计，将大量的工作交给了软件。标准化的硬件平台，标准的接口，丰富的驱动，使产品快速成型推向市场成为可能。在越来越紧凑的项目周期下，越来越多的嵌入式系统设计工程师已经强烈的认识到：正确合理地选用DC/DC电源模块，不但可以省去电源设计、调试方面的麻烦，而且可以提高整体系统的可靠性和设计水平，更重要的是，缩短了整个产品的研发周期。

　　电源模块在配网自动化中的应用

　　配网自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网实时信息、离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息进行集成，构成完整的自动化管理系统，实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和配电管理。(1)配网自动化的发展离不开各行业的配合与协调。金升阳科技有限公司为助力配网自动化发展专门推出了专用的以高可靠性著称的电源，提供可靠高效的电源解决方案。

　　关键字：配网自动化;充电电源;金升阳;EMC;可靠性;配电终端;

　　1.引言

　　国家能源局发布《配电网建设改造行动计划(2015—2020年》中明确提到：到2020年，中心城市(区)智能化建设和应用水平大幅提高，供电可靠率达到99.99%，用户年均停电时间不超过1小时，供电质量达到国际先进水平。2015-2020年，配电网建设改造投资不低于2万亿元。(2)

　　目前，我国的电力用户平均停电时间是400分钟，而发达国家均在100分钟以内，我国配网的可靠性和供电质量与国际先进水平之间仍存在很大的努力空间(如图1)。目前影响我国配网自动化可靠性和供电质量的因素有哪些呢?从技术层面来看，无外乎两个原因：硬件设备的可靠性、软件上的配网信息和数据处理管理方式。

　　图1 各国电力用户平均停电时间(分钟)

　　2. 系统组成及主要功能

　　配网自动化系统组成如下图2所示。从设计的角度来说，主站层、子站层、通信层偏向于数据信息的软件部分，该部分的设备一般作为数据信息的载体，设备的工作环境相对比较良好;终端层属于硬件设备部分，与电网直接连接，多放置于户外，供电情况和工作环境都十分恶劣。终端与电网连接，需要承受电网上的波动和干扰;终端连接开关闸门，在分闸和合闸的瞬间，对电压的扰动非常大，甚至会把开关闸门的供电电压拉低。

　　图2 配网自动化系统组成框图

　　2013年国家能源局发布的电力行业标准《配电自动化远方终端》DL/T 721中明确指出，电源回路电压大于60V时，应施加5KV试验电压。同时，终端需要具备良好的EMC抗干扰能力。EMC抗扰度等级需达到四级(最高等级)，且要求终端设备能正常工作，其性能指标应符合基本性能的要求。EMC主要要求如表1所示。

　　为适应配网自动化的应用，终端的前端AC-DC电源需要具备同等的抗干扰能力，并且为后端的控制板和采集板提供主要的EMC防护。真可谓是首当其冲，任重而道远了。

　　表1　配网自动化远方终端EMC要求

　　3.配网自动化中电源推荐应用方案

　　在配电终端中，DTU和FTU这两类终端单元通常是带开关闸门执行机构的，如图4所示。因此必须考虑瞬态输出功率。金升阳的MBP500-2A27D27充电电源正是为这样的应用而设计，可以提供高达1080W(300mS)的瞬态输出功率，确保开关闸门执行机构按照指定指令进行动作，并且电压扰动非常小，不会因为开关闸门执行机构的动作而影响其他电路的工作。

　　从图3可以看出，如果电源反应速度不够快，无法及时调节，就会出现电压跌落的现象。

　　图3 开关闸门动作时，电压扰动大(左图)和电压扰动小(右图)对比

　　黄色：输出电压波形。蓝色：开关闸门启动电流波形

　　图4 DUT/FTU配电终端电源框图

　　金升阳配网自动化电源解决方案选型推荐：

　　通常MCU电路及其外围电路需要与充电电源进行隔离，减少高频干扰对MCU电路造成影响。此处推荐3000V隔离的超宽电压输入稳压电源URF2405LP-20WR3，从充电电源的输出端取电，为MCU及其外围电路提供稳定的5V电压，并且能够解决共模浪涌对MCU的干扰。

　　遥信单元的供电电源推荐URF2424P-6WR3宽压输入DC-DC电源进行隔离，避免共模浪涌从遥信端口对系统造成冲击。该冲击轻则引起系统死机重启，严重时还会引起系统损坏。

　　当给运放供电需要正负电源时，可以选择A0512D-2WR2定压输入 DC-DC电源，提供±12V电压输出。485通信可选择TD501D485H进行隔离，避免通信端口的干扰影响系统可靠性。

　　配网自动化系统设计要点解析：选用高隔离电源模块、进行旁路处理。

　　由于终端面临着严酷的EMC环境，系统存在多个地方接地，共模干扰对系统影响很大。对于电源的应用，首先，应尽量采用高隔离的电源模块(如金升阳提供的3000V隔离URF系列的模块)或者在敏感端口进行旁路处理(如在单片机复位端口上加1nF电容旁路)，以解决共模浪涌/脉冲群等共模类干扰对系统的影响，造成系统死机或者重启。其次，应在敏感的信号输入输出端口进行旁路处理。

　　那么，通常如何进行敏感端口的旁路处理呢?以下举一个简单但非常经典的案例。如图5所示：正常工作时，按照左图进行设计，电路可以按照预定程序运行。当测试4KV脉冲群性能时，则容易出现三极管不受控、误动作的情况。在系统中表现出来的现象就是继电器误跳动，一些指示灯或者一些装置闪烁跳动等。这实际上是I/O口的走线较长或者控制回路较大时，容易耦合高频信号，从而产生误动作。添加旁路电容，可以减少高频信号的耦合，减小对端口的干扰，提高产品的一致性和可靠性。当然，这只是提供一种解决方法，实际上可以用优化布局等方法去解决。

　　图5 典型端口处理案例原理图

　　EMC的测试大部分属于高频干扰，容易通过地线和器件的寄生参数直接干扰后端的用电电路，因此，脉冲群影响继电器误动作，共模浪涌引起系统重启等现象多有发生，只有恰当的电源选型加上优质的系统设计，才能实质性的提高配电终端的可靠性。

　　4.总结

　　在严酷的EMC和用电环境中，要保证配网自动化的可靠性和改善用户的用电质量，对配电终端的电源可靠性要求是极高的，如EMC要求、输出瞬态功率要求等。当然，这与系统的设计也是密不可分的，如果单纯依靠电源来提高可靠性，是远远不够的。金升阳不仅是在为配网自动化提供高可靠的电源解决方案，更是在不断探索，把提高电源可靠性的技术推而广之，为配网自动化的发展鼎力相助。