出于降低成本和節省空間之需，單片式 DC-DC 轉換器成為許多大規模應用的絕佳之選，但它們不能用于要求電源輸入與輸出電隔離的設計。醫療設備就是一個很好的例子。通常情況下，可以使用板安裝隔離式電源來替代，但這些電源需要依靠變壓器來實現所需的電隔離，因而降低了能效，增加了方案成本、尺寸和重量。變壓器還對 DC-DC 轉換器的性能造成不穩定因素，并讓大規模自動化裝配變得困難。
為了解決上述諸多挑戰，設計人員可以轉而使用將變壓器嵌入到轉換器基底內的隔離式 DC-DC 轉換器模塊。
本文解釋了哪些情況需要使用隔離式 DC-DC 轉換器。然后介紹 Murata Electronics 示例解決方案，并展示如何使用它們來實現隔離，從而避免通常與變壓器型隔離式 DC-DC 轉換器相關的重大設計折衷。文章最后還介紹這種轉換器的封裝如何滿足高水平、自動化表面貼裝組裝的需求，并展示如何將隔離式 DC-DC 轉換器設計到產品中，實現最小的電壓和電流紋波并降低電磁干擾 (EMI)。
何時使用隔離式轉換器
在傳統的 DC-DC 轉換器中，單一穩壓器電路允許電流直接從輸入流向輸出。這降低了復雜性、尺寸和成本。但是，有許多應用需要電隔離（以下簡稱“隔離”），因為設備的輸入和輸出側需要實現電氣隔離。例如，出于安全目的可能要求使用隔離式 DC-DC 轉換器，即使用變壓器（或在某些情況下使用耦合電感器）讓輸入和輸出側的電壓和電流分開傳輸，特別是當輸入側連接的電壓高到足以危及人身安全時。隔離式 DC-DC 轉換器對于破壞接地回路也很有用，可以將電路中對噪聲敏感的部分與噪聲源分開（圖 1）。
1.jpg
圖 1：基本型非隔離式 DC-DC 轉換器（上）與使用變壓器進行電隔離的隔離式轉換器（下）的比較。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
隔離式 DC-DC 轉換器的另一個特性就是浮動輸出。雖然這種轉換器確實在輸出端子之間提供了一個固定的電壓，但相對于與它們隔離的電路的電壓水平而言，它們其實沒有一個確定或固定的電壓（即它們是“浮動”的）。有一種選擇是將隔離式 DC-DC 轉換器的浮動輸出連接到輸出側的一個電路節點上，以固定其電壓，從而使得該輸出實現相對于輸出側電路中另一個點的移動或反向。由于輸入和輸出電路是分開的，設計者必須確保兩個電路都有各自的接地基準。
既定 DC-DC 轉換器的規格書通常會列出其隔離電壓，即在規定的（短）時間內，在沒有電流越過間隙的情況下，可以施加的最大電壓。此外，規格書還詳細列出了在不破壞隔離的情況下可以連續承受的最大工作電壓。
隔離確實帶來了一些折衷。首先，隔離式轉換器往往更昂貴，因為變壓器（通常是定制的）比非隔離轉換器中使用的等效電感器（現成的）更昂貴。所需隔離能力越高，成本就越高。
第二，隔離式 DC-DC 轉換器往往比非隔離式轉換器更大；變壓器一般比等效電感器大，而且電感器往往工作在更高的開關頻率下，與變壓器相比，其尺寸可進一步減小。
第三，隔離式 DC-DC 轉換器的能效、調節能力和元器件間的性能重復性往往不如非隔離式轉換器。與電感器相比，變壓器會造成能效損失，而且隔離柵會使輸出無法直接被感應和緊密控制，因此無法實現更好的調節和瞬態性能。由于體積更小，非隔離式 DC-DC 轉換器可以靠近負載放置，減少了輸送線路的影響，進一步提升了能效。另外，由于隔離式轉換器中的變壓器通常是定制制造的，沒有兩個器件能提供完全相同的輸出。
最后，變壓器也會對高效的大規模裝配過程造成妨礙。帶變壓器的隔離式 DC-DC 轉換器的外形使之不適合自動裝配，決定了它必須通過手工焊接到 PCB 上。
隔離式 DC-DC 轉換器選擇
如果設計者的應用出于安全或其他原因需要隔離，那么就必須考慮到前面所述的折衷。如果你花費更多時間對這些元器件進行研究，就可以發現一些較新的解決方案，設計這些方案的目的就是為了最大限度地減少設計折衷的影響。
例如，Murata 最近推出了其 NXE（圖 2）和 NXJ2 系列隔離式 DC-DC 轉換器。這些產品旨在解決隔離式 DC-DC 轉換器所帶來的一些傳統挑戰。
2.jpg
圖 2：Murata 的 NXJ2 和 NXE（如圖所示）隔離式 DC-DC 轉換器在元件基底內嵌入了變壓器，從而減小產品尺寸。（圖片來源：Murata Electronics）
NXE 系列提供高至 2 瓦的功率，并提供 5 和12 V 輸入和 5、12 和 15 V 輸出選擇。輸入和輸出電流隨電壓變化，范圍從 5/5 V 產品的 542 毫安 (mA) 輸入/ 400 mA 輸出到 12/15 V 產品的 205/133 mA。該產品系列的開關頻率為 100 至 130 千赫茲 (kHz)，具體取決于型號。
同樣，NXJ2 系列也是一款 2 瓦的設計，具有 5、12 和 24 V 輸入和 5、12 和 15 V 輸出選擇。輸入和輸出電流范圍從 5/5 V 產品的 550 mA 輸入/400 mA 輸出到 24/15 V 產品的105/133 mA。其開關頻率為 95 至 140 kHz。
Murata 隔離式 DC-DC 轉換器通過將變壓器嵌入到器件的基底中，解決了自動化制造的挑戰。該變壓器采用 FR4（即通常印刷電路板所使用的玻璃增強環氧樹脂層壓板）與銅交替疊層結構，形成一個圍繞嵌入鐵芯的繞組。據稱，嵌入式變壓器結構有助于散熱，并提高了元器件間的性能重復性。
因此可以實現扁平（低于 4.5 mm）、緊湊（5 V 和 12 V 版本為 15.9 × 11.5 mm，24 V 版本為 16×14.5 mm）的封裝，從而適合卷帶包裝，并能夠被自動貼片機的真空噴嘴吸起（圖 3）。
3.jpg
圖 3：NXE 隔離式 DC-DC 轉換器采用的緊湊封裝可以通過卷帶進給并由自動裝配設備貼放到印刷電路板上。（圖片來源：Murata Electronics）
與其他隔離式設計相比，嵌入式變壓器設計可實現良好的電氣性能。隔離式 DC-DC 轉換器在滿載工作時能效范圍通常為 55% 至 85%。NXE 系列和 NXJ2 系列在 100% 負載下，5 V 輸出的能效約為 72%，15 V 輸出的能效上升到 76%，24 V 輸出的能效為 78%。
隔離式 DC-DC 轉換器一般缺乏非隔離式產品典型的精確調節能力，因為它們在輸出和輸入之間沒有電反饋回路。對于 NXE 系列，電源調整率為 1.15%/%，負載調整率在 7% 至 11% 之間。NXJ2 的電源調整率對于 24 V 輸入為 1 %/%，對于所有其他輸入類型為 1.1 %/%。電壓設定點的精度取決于輸出負載電流和所選的 NXE 或 NXJ2 器件。例如，NXE2S1215MC 12 V 輸入/15 V 輸出方案在全輸出負載電流下相對設定點的變化為 -2 至 -6%（圖 4）。
4.jpg
圖 4：隔離式 DC-DC 轉換器缺乏非隔離式 DC-DC 轉換器典型的精確調節能力。電壓設定點的精度隨輸出負載電流而變化。此處示例展示了 Murata 的 12 V 輸入/15 V 輸出隔離式 DC-DC 轉換器 NXE2S1215MC 在不同負載下相對設定點的輸出電壓精度。（圖片來源：Murata Electronics）
了解規格
輸入和輸出的電氣分離通常是一項法規要求，因此工程師必須清楚特定設計的法規要求。這可能有困難，因為信息可能很混亂。
例如，法規標準分別規定了元器件的隔離要求和終端產品的隔離要求——而每種要求卻不一樣。例如元器件規格表可能會說明該器件可以承受 2.5 至 5 千伏交流電的隔離測試電壓，并且符合產品標準 IEC 60950-1。但對設計者來說，更重要的是隔離器的工作電壓，例如 150 至 600 伏交流電，并且要符合元器件標準 IEC 60747-5-5。
還應注意描述隔離等級的術語。“基本”是單層隔離，“雙重”是兩層隔離；“增強”則是相當于雙層的單層隔離。標準假定單層隔離可以發生一次故障，所以具有第二隔離層的產品仍然可以提供保護。重要的是，當一個元器件在元器件標準中被定義為 “基本”時，即被歸類為安全保護不足。
元器件的隔離性能的另一個重要方面是其間隙和爬電距離。間隙是指兩個元器件電路之間最窄空氣距離，而爬電距離是指電流跨越表面的最短距離。
設計師確定隔離器性能的最佳方法是核實隔離器是否通過了 VDE 和 Underwriters Laboratory (UL) 認證，并從隔離器制造商處獲得一份實際證書的副本。
在 NXE 和 NXJ2 系列中，FR4 為轉換器初級和次級繞組提供了隔離屏障，每個元器件都在 3 千伏直流電壓下進行了一秒鐘的測試，并在 3 千伏直流電壓下進行了一分鐘的樣品鑒定測試。在 1 千伏直流測試電壓下測得絕緣電阻為 10 千兆歐 (GΩ)。
NXE 和 NXJ2 系列均通過 UL 認證，符合 ANSI/AAMI ES60601-1 標準，并在初級和次級線圈之間提供基于最大 250 V rms 工作電壓的一重 MOOP（操作者保護措施）。UL 也確認這些 DC-DC 轉換器符合 UL 60950 的增強隔離標準，工作電壓為 125 V rms。這些器件的爬電距離為 2.5 mm，間隙為 2 mm。
降低輸出紋波和 EMC
開關電壓轉換器總是面臨著與開關元件所產生電壓和電流紋波有關的設計挑戰。隔離式 DC-DC 轉換器也不例外。
在沒有輸出濾波電路的情況下，NXE DC-DC 轉換器的典型輸出紋波約為 55 毫伏 (mV) 峰-峰值 (p-p) ，最大 85 mVp-p。NXJ2 系列的對應數值是 70 mVp-p 和 170 mVp-p。雖然這些數值對于許多應用來說是可以接受的，但其他應用則要求更穩定的輸出。
圖 5 所示的輸出濾波電路可以用來大幅降低輸出電流和電壓紋波。電感器 (L) 和電容器 (C) 的值因 DC-DC 轉換器的輸入和輸出電壓而異；舉例來說，Murata 的 NXE2S1205MC（12 伏輸入/5 伏輸出）產品需要一個 22 微亨 (μH) 的電感器和一個 10 微法拉 (μF) 的電容器。輸出濾波電路的作用是將輸出電壓和電流紋波降低到最大 5 mVp-p。
5.jpg
圖 5：這種簡單的采用適當 L 和 C 值的輸出濾波電路可以將隔離式 DC-DC 轉換器的輸出電流和電壓紋波降低一個數量級。（圖片來源：Murata Electronics）
為了實現最佳效果，電容器的等效串聯電阻 (ESR) 應盡可能低，額定電壓至少應是隔離 DC-DC 轉換器額定輸出電壓的兩倍。對于電感器，其額定電流不應小于 DC-DC 轉換器的輸出電流。在額定電流下，電感器的直流電阻應使跨電感器的電壓降小于 DC-DC 轉換器額定電壓的 2%。
如圖 6 所示，可以在 NXE 和 NXJ2 系列中增加輸入濾波電路來抑制 EMI。同樣，L 和 C 的值仍取決于 DC-DC 轉換器的輸入和輸出電壓；舉例來說，Murata 的NXE2S1215MC（12 伏輸入/15 伏輸出）產品應需要一個 22 μH 的電感器和一個 3.3 μF 的電容器。
6.jpg
圖 6：這種簡單的采用適當 L 和 C 值的輸入濾波電路可以將隔離式 DC-DC 轉換器的 EMI 輻射降低到 EN 55022 限值要求以下。（圖片來源：Murata Electronics）
如圖 7 所示，濾波的效果能夠讓 Murata 的隔離式 DC-DC 轉換器符合 EN 55022 曲線B 準峰值 EMC 限值要求。有 EMI 輻射的設備必須低于這些限值才能滿足歐盟的 2014 EMC 指令要求。 。
7.jpg
圖 7：圖 6 所示的輸入濾波電路的效果是將隔離式 DC-DC 轉換器（本例中為 NXE2S1215MC）的 EMI 輻射降低到歐盟 EMC 指令規定的限值以下。（圖片來源：Murata Electronics）
有關 DC-DC 轉換器的濾波電路設計的更多信息，請參見 Digi-Key 技術文章《電容器選擇是良好穩壓器設計的關鍵》。
結語
當法規或安全考量要求對輸入和輸出電壓進行電氣隔離時，隔離式 DC-DC 轉換器發揮了重要作用。但是使用變壓器進行隔離可能會帶來設計上的折衷——尤其是成本、尺寸、性能變化性和裝配上的挑戰。
工程師需要意識到這些折衷，并在設計產品時進行相應的取舍。例如，隔離式 DC-DC 轉換器通常缺乏反饋回路，無法實現非隔離式產品的精確調節，因此其輸出電壓相對與設定點隨負載變化的程度可能比后者大。
如本文所述，有一些 DC-DC 解決方案沒有使用昂貴而笨重的板安裝變壓器，而是使用 FR4 與銅的交替疊層結構來構建一個嵌入轉換器基底的變壓器。因此這種器件的成本更低、結構更緊湊，展示出更好的元器件間電氣性能重復性，并可由自動貼片機拾取。這些隔離式 DC-DC 轉換器還符合高壓隔離和絕緣測試的相關標準。
來源：Digi-Key
作者：Steven Keeping
