用于空间紧凑型设计的微型隔离式DC/DC转换器

     分布式电源架构的发展相应推动了微型低功耗(<2W)DC/DC转换器的发展。顾名思义，这些器件能够最大程度地缩小转换器占用的板级空间。该种器件的体积仅为0.71x0.29x0.09英寸（18.1x7.6x2.35毫米），为工业应用与安全性至关重要的应用（如电信及医疗设备等）中的模拟电路提供使用点(point-of-use)隔离式功率转换。此外，微型DC/DC转换器还为那些需要电隔离输出电源或需要降低模拟电路噪声的设计人员提供了便利。
    
     对于大多数对噪声敏感的新型电路而言，系统设计人员常常需要保证少数元件与输入电源实现完全隔离。我们应将本地电源轨上的负载与噪声同整个系统主供电轨相隔离。比如，混合信号IC设计常常由于噪声问题而导致系统不能正常工作。大量的数字噪声加上敏感的模拟电路常常会造成干扰噪声[1]。
    
     带电隔离的微型DC/DC转换器可实现极低的输出噪声以及极高的精确度。电隔离可在转换器的二次侧形成浮动接地，因而有助于降低系统噪声[2]。因此，我们可通过输入至输出的隔离来实现简单的隔离式输出电源，此外我们也可利用它来产生不同的电压轨、双极轨和/或非标准电压。此外，作为模拟电路中的噪声降低技术，隔离层(isolation barrier)还可避免数字接地总线影响敏感的模拟电路。
    
     标准的砖型转换器(brick-type converter)并不适合这种要求。除了其成本较高之外，砖型转换器的输出功率也不适合功率小于 2W 的应用。此外，砖型转换器的安装面积过大。设计人员希望实现设备微型化，以节约宝贵的板上空间(board real estate)。由于微型DC/DC转换器甚至比新型的16分之一砖型转换器还要小很多（0.29平方英寸相比于1.17平方英寸，18,709.64平方毫米相比于 754.84平方毫米），因此其特别适合在空间紧凑的设计中生成板上电压。
    
     那么，为什么不"自主开发"DC/DC电源呢？对于砖型转换器和现成的微型DC/DC转换器来说，分立组件板上转换器设计是不错的选择。但是，进行分立设计的人越来越少。其缺点在于很难实现额外的功能（如设备保护和模块到模块的同步等），可靠性较低，而且难以减小电源的体积。此外，就许多高级产品而言，DC/DC转换器不过是其中的组件之一，设计人员很难有时间专门研究转换器设计，成为相关设备的专家。鉴于上述困难，越来越多的设计人员选择应用微型DC/DC转换器。这种转换器大幅降低了风险，显著加快了新品上市时间，并大大节约了开发成本。
    
     除了相对于砖型转换器和分立设计的优势之外，微型DC/DC转换器还可为负载点(POL)功率转换提供小型的功率解决方案。POL转换器帮助设计人员解决新型高性能半导体设备高峰值电流要求以及低噪声容限要求所提出的挑战。这种转换器可放置于靠近其负载的地方。这样能够尽量减少压降造成的损失，有助于克服噪声敏感性和EMI干扰问题，并能保证在动态负载条件下严格进行调节。
    
     供货情况
    
     C&D Technologies、德州仪器(TI)与Wall Industries等提供的微型DC/DC转换器为那些要求隔离功能并需要20mA至500mA输出电流的设计人员提供了帮助。有关转换器输入为5V、12V、15V或24V。单输出转换器的电压从3.3V到24VDC不等。双输出转换器的电压则从±3.3到±24VDC不等。
    
     微型DC/DC转换器在输入到输出的额定隔离电压为1000、1500或3000VDC的情况下提供稳压或非稳压输出。工作温度可从-40 °C到+100 °C。由于其交换频率较高 (400MHz)，因此有关转换器的效率可高达85%。
    
     内置特性
    
     就那些希望实施微型DC/DC转换器的系统设计人员而言，此设备具备多种内置特性，可简化系统集成和设计工作。现有的许多产品都包括过热保护、短路保护以及内部滤波功能。某些更先进的转换器还可实现设备间同步。如果一个应用在一块PC板上使用的转换器不止一个，那么可能生成拍频或其它电气干扰。DCP010512B和DCR010505转换器(图1) 用内置的同步控制功能解决了这一问题，此功能可使多个转换器实现彼此同步。该功能非常方便，只需将SYNCIN引脚连接在一起，即可使设计人员最多能够实现八部器件的同步，这就消除了交换频率造成的电气干扰。
    
     构造
    
     目前，DC/DC转换器技术继续致力于实现更高密度、更高效率以及更小封装的转换器。一种创新性突出的转换器采用与标准集成电路(IC)封装相同的方式制造，包括双列直插式(DIL)和小外形(SO)等封装（图2）。其采用IC引线框架作为IC封装中硅芯片器件与磁性组件互连的介质（图3），这样就得到了隔离式 DC/DC 转换器，可实现高可靠性、出色的热管理、小巧的外观，并能与标准的板组装工艺相兼容。标准的IC格式还可实现卷带组装，这有助于降低制造成本。
    
     不同的配置
    
     微型DC/DC转换器的输出电隔离通过串联连接多个转换器，可生成非标准电压轨。只需将一部转换器的正输出连接至另一部转换器的负输出即可实现这一目的，从而能够产生多种电压变化。某些双输出转换器的输出还可串联相连，从而使可提供的输出电压的幅度达到两倍。图4给出了双±15V转换器的连接示意图，其可提供30V电压轨[3]。
    
     如果单个转换器不能提供所需的输出电力，那么并联连接多个转换器可以解决此问题。采用并联连接的话，一个比较好的设计原则就是保证并联的转换器为同一类型。图5显示了两个并联连接的转换器[2]。
    
     解决低功耗应用中的电压隔离问题
    
     实现输入到输出隔离的低输出功率微型DC/DC转换器为多种应用中的高密度电源设计提供了创新式解决方案。典型的实例包括工业过程控制、直流马达驱动、测量测试、电力传输、医疗设备及数据采集等。以下各图给出了常见电源设计中DC/DC转换器与运算放大器的实例。
    
     正负电压转换
    
     正负电压转换在微型DC/DC转换器的应用中较常见。高精度运算放大器对较高速应用进行了优化。有关设备可实现极低的失调电压和漂移，通常用于需要高精度的数据采集、电信设备、专业音频设备以及便携式应用等。某些运算放大器要求辅助的电源轨。图6中转换器的隔离式输出用于生成负供电电压。隔离式负输出作为运算放大器正输入的参考。
    
     单一电源的正负电压
    
     标准IC封装的微型DC/DC转换器减小了生成到运算放大器的正负输出电压所需的板级面积。图7显示了单一的隔离式转换器可为带有差动输入的信号调节电路高效生成正负输出电压。双输出转换器用于生成未稳压的输出电压，幅度大于其+5V的输入电压。转换器工作在4.5V至5.5V的输入电压范围内，具备升压功能，可生成+12V的输出，还具备降压－升压功能，可生成-12V输出。
    
     AC或DC仪表放大器的电源隔离
    
     在AC或DC仪表放大器信号调节电路方面，系统设计人员面临的挑战在于必须消除影响测量准确性的接地回路。微型隔离式DC/DC转换器可实现此目标。图8中所示的电路采用双输出DC/DC转换器来生成隔离式电压。该转换器与高精度隔离放大器结合使用，从而将电路其它部分生成的噪声与仪表完全隔离开来。这种隔离屏障特性是不影响信号的完整性，因此它具有出色的可靠性以及较好的高频抗扰度。
    
     总结
    
     设计噪声敏感性较高的电路时，系统设计人员常常需要把一小部分组件与其输入电源完全隔离开来。微型DC/DC转换器可有效地将本地电源轨的负载及噪声与整个系统的主电源轨相隔离。
    
     市场上现有的设备采用高度集成的封装设计，这使其在空间紧凑型设计中应用广泛。相对于标准的砖型转换器，其尺寸更小，价格更低。相对于分立式设计，微型DC/DC转换器不但降低了风险，大大加快了产品投放市场的时间，而且还节约了开发成本。
    
     参考文献
    
    [1] 《降低噪声对混合信号ASIC设计的成功至关重要》，2000年10月；
    [2] 《组合式DC/DC转换器解决了分布式电源的难题，电气设计》，2000 年6月；
    [3] 《德州仪器DCP02系列产品说明书，SBVS011B》，2001年5月。