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最大化的發(fā)揮DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能

發(fā)布時(shí)間:2022-02-11 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】升級(jí)后的DC/DC電源模塊具有更高的功率密度 - 幾十年來(lái),小功率的隔離型DC/DC電源模塊一直被用來(lái)提供低功率輔助電壓,有效地將負(fù)載需要的電源電壓與功率匹配。例如:用在模擬接口的負(fù)電位、安全隔離或單純?yōu)殡娐诽貏e敏感的區(qū)域形成獨(dú)立的地回路。


模塊的通孔單列直插式封裝(SIP)已十分普遍,加上最早提供1W非穩(wěn)壓輸出的緊湊型SIP-7,足以為上述許多應(yīng)用提供足夠的功率。多年來(lái),功率密度一直在持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng),現(xiàn)在已經(jīng)能夠以更小的SIP-4封裝提供3W非穩(wěn)壓輸出(圖1)。 


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圖1:從90年代(左)至今的非穩(wěn)壓及穩(wěn)壓DC/DC功率密度


很快出現(xiàn)了穩(wěn)壓型電源模塊,最初使用自振蕩、可變頻率的反激電路來(lái)減少組件數(shù)量,但最新版本通常使用固定頻率IC以在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳效率,提供高功率密度、4:1輸入范圍以及輸出調(diào)節(jié)和ON/OFF控制等功能。2W DIP24封裝為最初的產(chǎn)品,而SIP7和SIP8 2W、3W和6W的版本很快地陸續(xù)推出,現(xiàn)在則達(dá)到了12W的標(biāo)準(zhǔn)(圖1)。 


隨著功率水平的提高,模塊不再只是作為輔助電源,而是用來(lái)給整個(gè)子系統(tǒng)甚至整個(gè)產(chǎn)品供電。由于電源轉(zhuǎn)換級(jí)的安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)評(píng)定隔離變得更加重要,SIP7或SIP8封裝的輸入和輸出引腳之間也有足夠的爬電距離和電氣間隙,因此當(dāng)前趨勢(shì)是增加功率密度,而非縮小模塊尺寸并維持相同的功率。 


新的構(gòu)造技術(shù)無(wú)須降額即可實(shí)現(xiàn)更高功率密度


隨著商家推出了更多高功率密度的SIP8 DC/DC模塊,一些商家采取樂(lè)觀態(tài)度似乎只為了跟上行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的腳步。宣稱(chēng)的功率只在大幅降額時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)。例如,外殼溫度保持在不切實(shí)際的低溫、低負(fù)載占空比或強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下,標(biāo)稱(chēng)9W模塊才可能輸出全功率,但實(shí)際能用的可能更少。例如與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的標(biāo)稱(chēng)9W模塊相比,RECOM的6W產(chǎn)品在+75°C對(duì)流冷卻的環(huán)境中能夠提供更高的功率。 


現(xiàn)實(shí)中較低標(biāo)稱(chēng)功率電源模塊比高標(biāo)稱(chēng)功率電源模塊能提供更高的功率,這種差異顯示有的設(shè)計(jì)拓?fù)湟训搅藰O限。使用更昂貴的組件可能會(huì)進(jìn)一步提高功率密度,但是必須徹底重新設(shè)計(jì)才能達(dá)到更高的功率水平。例如,舍棄低效率的線軸型變壓器結(jié)構(gòu)改用平面變壓器的設(shè)計(jì)。這就是RECOM [1] 新的RS12-Z系列采用的做法。 


平面變壓器使用PCB走線作繞組,必須使用有各種盲孔和埋孔的多層PCB,是相當(dāng)有挑戰(zhàn)技術(shù)的。此外,為了確保隔離等級(jí)因此需要仔細(xì)設(shè)計(jì)PCB疊層(RS12-Z隔離電壓為3kVDC)。每種輸入輸出電壓組合具有不同的PCB布局和不同的匝數(shù)比,這讓制造過(guò)程更加復(fù)雜。與傳統(tǒng)的線繞變壓器相比,平面變壓器確實(shí)省去了組裝過(guò)程,同時(shí)具有穩(wěn)定的重復(fù)性。隨著效率的提高,轉(zhuǎn)換器憑借先進(jìn)的熱管理能在4:1輸入范圍、75°C的環(huán)境下提供12W輸出。由于具有低熱阻特性,該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱量可以有效地傳到金屬外殼。鍍錫的外殼能進(jìn)一步將熱量傳遞到主機(jī)PCB。 


增加了功能性的最新設(shè)計(jì)


先進(jìn)的IC轉(zhuǎn)換器電路帶來(lái)的好處是擁有更多功能,進(jìn)一步解決了重要問(wèn)題。例如,作為子系統(tǒng)或產(chǎn)品的主電源,即使輸入電源下降時(shí)(通常由放電電池供電)轉(zhuǎn)換器應(yīng)仍正常運(yùn)行。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器從輸入端的恒定功率來(lái)維持恒定負(fù)載,因此如果輸入電壓下降電流就會(huì)增加。如果轉(zhuǎn)換器繼續(xù)在最小額定輸入電壓以下運(yùn)行,高電流可能造成轉(zhuǎn)換器損壞,因此許多控制IC都內(nèi)置欠壓鎖定功能,確保轉(zhuǎn)換器在設(shè)定的最小輸入電壓時(shí)關(guān)斷輸出。 


RS12-Z電路的另一項(xiàng)功能是控制引腳或ON/OFF功能。作為輸入電源時(shí)能讓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入睡眠模式來(lái)降低功耗并延長(zhǎng)電池壽命。該功能還可將轉(zhuǎn)換器輸出和其他電源回路進(jìn)行延遲或“排序”??梢栽凇俺跫?jí)側(cè)”控制也可以通過(guò)光耦合器的隔離輸出。例如圖2示范了轉(zhuǎn)換器配置,R1/C1的固定延遲供電給DC/DC 1之后DC/DC 2才啟動(dòng),而DC/DC 3只能在DC/DC 2輸出電壓完全建立后才啟動(dòng)。 


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圖2: DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)序設(shè)計(jì)范例


多功能的調(diào)節(jié)引腳


調(diào)節(jié)功能還可調(diào)整DC/DC輸出以補(bǔ)償外部電壓的下降。常見(jiàn)的用途是為了冗余并聯(lián)轉(zhuǎn)換器,在轉(zhuǎn)換器中配置輸出串聯(lián)二極管以防止其中一個(gè)故障而影響到另一個(gè),如圖3所示。使用肖特基二極管時(shí)可以通過(guò)R1和R2將每個(gè)輸出往上微調(diào)約0.3V,使“門(mén)控”電源在正確的3.3V。請(qǐng)注意,轉(zhuǎn)換器的額定通常為最大功率輸出,因此往上調(diào)整輸出時(shí)應(yīng)同時(shí)降低額定電流。 


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圖3: 冗余配置中調(diào)節(jié)DC/DC輸出以補(bǔ)償二極管壓降


調(diào)節(jié)引腳通常還可以由外部電壓控制來(lái)達(dá)到其他功能。例如,ATE系統(tǒng)需要電源供電,在允許公差之間循環(huán)做到“裕量”以測(cè)試電源變化的適應(yīng)能力。圖4的電路實(shí)現(xiàn)了該功能,包括一個(gè)正弦波振蕩器IC1耦合到RECOM RS12-Z DC/DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)引腳,其設(shè)置的DC偏置與調(diào)節(jié)引腳的標(biāo)稱(chēng)電壓匹配。VR1控制著變化幅度,IC2將其與負(fù)固定偏置相加在調(diào)節(jié)引腳上產(chǎn)生正偏置,并疊加正弦曲線。 


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圖4:電源回路循環(huán)使用調(diào)節(jié)引腳以實(shí)現(xiàn)“余量”


在其他外部電路中,調(diào)節(jié)引腳還可以遠(yuǎn)程檢測(cè),如果在轉(zhuǎn)換器的外部檢測(cè)到電流時(shí),也能實(shí)現(xiàn)控制功率共享功能。 


DC/DC EMI濾波器應(yīng)保持小巧


作為低功率設(shè)備的主要電源時(shí),DC/DC由外部電源供電因此必須滿(mǎn)足特定的EMC規(guī)范,通常是EN 55032 Class A或Class B標(biāo)準(zhǔn)。為了符合標(biāo)準(zhǔn),特別是噪聲大的變頻器可能需要額外的濾波器組件,這些組件可能比變頻器本身占用更多的電路板空間。圖5顯示了能夠讓RECOM RS12-Z轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)足這兩種標(biāo)準(zhǔn)的常見(jiàn)的濾波器電路,也就是使用小型電解電容、陶瓷電容以及低值電感。 


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圖5: 常見(jiàn)的符合EN 55032 Class A和Class B標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC EMI濾波器


自首次推出以來(lái),模塊化DC/DC轉(zhuǎn)換器有了顯著的發(fā)展。功率密度和功能皆有大幅提高,因此可以作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的精密電源使用。RECOM RS12-Z系列就是一個(gè)很好的例子,使用完全創(chuàng)新的設(shè)計(jì),適用于標(biāo)稱(chēng)12、24或48V DC輸入電壓,在75°C的溫度范圍內(nèi)提供12W的輸出。 


文獻(xiàn):


[1] RECOM RS12-Z規(guī)格書(shū)鏈接: www.recom-power.com/pdf/Econoline/RS12.pdf 


來(lái)源:RECOM



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