使用帶有嵌入式變壓器的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器簡化裝配

作者：Steven Keeping

出于降低成本和節(jié)省空間之需，單片式 DC-DC轉(zhuǎn)換器成為許多大規(guī)模應(yīng)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(shè)計。醫(yī)療設(shè)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(xiàn)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(zhuǎn)換器的性能造成不穩(wěn)定因素，并讓大規(guī)模自動化裝配變得困難。

為了解決上述諸多挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)而使用將變壓器嵌入到轉(zhuǎn)換器基底內(nèi)的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊。

本文解釋了哪些情況需要使用隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)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(xiàn)隔離，從而避免通常與變壓器型隔離式 DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的重大設(shè)計折衷。文章最后還介紹這種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器設(shè)計到產(chǎn)品中，實現(xiàn)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(zhuǎn)換器

在傳統(tǒng)的 DC-DC轉(zhuǎn)換器中，單一穩(wěn)壓器電路允許電流直接從輸入流向輸出。這降低了復(fù)雜性、尺寸和成本。但是，有許多應(yīng)用需要電隔離（以下簡稱“隔離”），因為設(shè)備的輸入和輸出側(cè)需要實現(xiàn)電氣隔離。例如，出于安全目的可能要求使用隔離式DC-DC 轉(zhuǎn)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(cè)的電壓和電流分開傳輸，特別是當(dāng)輸入側(cè)連接的電壓高到足以危及人身安全時。隔離式DC-DC 轉(zhuǎn)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）。

隔離式 DC-DC
轉(zhuǎn)換器的另一個特性就是浮動輸出。雖然這種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的浮動輸出連接到輸出側(cè)的一個電路節(jié)點上，以固定其電壓，從而使得該輸出實現(xiàn)相對于輸出側(cè)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(shè)計者必須確保兩個電路都有各自的接地基準(zhǔn)。

既定 DC-DC
轉(zhuǎn)換器的規(guī)格書通常會列出其隔離電壓，即在規(guī)定的（短）時間內(nèi)，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(guī)格書還詳細(xì)列出了在不破壞隔離的情況下可以連續(xù)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(zhuǎn)換器往往更昂貴，因為變壓器（通常是定制的）比非隔離轉(zhuǎn)換器中使用的等效電感器（現(xiàn)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(zhuǎn)換器往往比非隔離式轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)換器的能效、調(diào)節(jié)能力和元器件間的性能重復(fù)性往往不如非隔離式轉(zhuǎn)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(yīng)和緊密控制，因此無法實現(xiàn)更好的調(diào)節(jié)和瞬態(tài)性能。由于體積更小，非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可以靠近負(fù)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(zhuǎn)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(guī)模裝配過程造成妨礙。帶變壓器的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器選擇

如果設(shè)計者的應(yīng)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(fā)現(xiàn)一些較新的解決方案，設(shè)計這些方案的目的就是為了最大限度地減少設(shè)計折衷的影響。

例如，Murata 最近推出了其 NXE和 NXJ2 系列隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些產(chǎn)品旨在解決隔離式 DC-DC轉(zhuǎn)換器所帶來的一些傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。

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(chǎn)品的542 毫安 （mA） 輸入/ 400 mA 輸出到 12/15 V 產(chǎn)品的 205/133 mA。該產(chǎn)品系列的開關(guān)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(shè)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(chǎn)品的 550 mA 輸入/400 mA 輸出到 24/15 V 產(chǎn)品的105/133 mA。其開關(guān)頻率為 95 至 140 kHz。

Murata 隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)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(zhàn)。該變壓器采用FR4（即通常印刷電路板所使用的玻璃增強環(huán)氧樹脂層壓板）與銅交替疊層結(jié)構(gòu)，形成一個圍繞嵌入鐵芯的繞組。據(jù)稱，嵌入式變壓器結(jié)構(gòu)有助于散熱，并提高了元器件間的性能重復(fù)性。

因此可以實現(xiàn)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 16×14.5mm）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）。

與其他隔離式設(shè)計相比，嵌入式變壓器設(shè)計可實現(xiàn)良好的電氣性能。隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)換器一般缺乏非隔離式產(chǎn)品典型的精確調(diào)節(jié)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(diào)整率為1.15%/%，負(fù)載調(diào)整率在 7% 至 11% 之間。NXJ2 的電源調(diào)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(shè)定點的精度取決于輸出負(fù)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(fù)載電流下相對設(shè)定點的變化為 -2 至 -6%（圖 4）。

了解規(guī)格

輸入和輸出的電氣分離通常是一項法規(guī)要求，因此工程師必須清楚特定設(shè)計的法規(guī)要求。這可能有困難，因為信息可能很混亂。

例如，法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了元器件的隔離要求和終端產(chǎn)品的隔離要求——而每種要求卻不一樣。例如元器件規(guī)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(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) IEC 60950-1。但對設(shè)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(biāo)準(zhǔn) IEC 60747-5-5。

還應(yīng)注意描述隔離等級的術(shù)語?！盎尽笔菃螌痈綦x，“雙重”是兩層隔離；“增強”則是相當(dāng)于雙層的單層隔離。標(biāo)準(zhǔn)假定單層隔離可以發(fā)生一次故障，所以具有第二隔離層的產(chǎn)品仍然可以提供保護。重要的是，當(dāng)一個元器件在元器件標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(rèn)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，F(xiàn)R4 為轉(zhuǎn)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(rèn)證，符合 ANSI/AAMI ES60601-1 標(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)這些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器符合 UL 60950 的增強隔離標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓為 125 Vrms。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(guān)電壓轉(zhuǎn)換器總是面臨著與開關(guān)元件所產(chǎn)生電壓和電流紋波有關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器也不例外。

在沒有輸出濾波電路的情況下，NXE DC-DC 轉(zhuǎn)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(yīng)數(shù)值是 70 mVp-p 和 170 mVp-p。雖然這些數(shù)值對于許多應(yīng)用來說是可以接受的，但其他應(yīng)用則要求更穩(wěn)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(zhuǎn)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(chǎn)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。

為了實現(xiàn)最佳效果，電容器的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 應(yīng)盡可能低，額定電壓至少應(yīng)是隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器額定輸出電壓的兩倍。對于電感器，其額定電流不應(yīng)小于DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流。在額定電流下，電感器的直流電阻應(yīng)使跨電感器的電壓降小于 DC-DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)品應(yīng)需要一個 22 μH 的電感器和一個 3.3 μF的電容器。

如圖 7 所示，濾波的效果能夠讓 Murata 的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器符合 EN 55022 曲線B 準(zhǔn)峰值 EMC 限值要求。有 EMI輻射的設(shè)備必須低于這些限值才能滿足歐盟的 2014 EMC 指令要求。 。

有關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的濾波電路設(shè)計的更多信息，請參見 DigiKey 技術(shù)文章《電容器選擇是良好穩(wěn)壓器設(shè)計的關(guān)鍵》。

結(jié)語

當(dāng)法規(guī)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(zhuǎn)換器發(fā)揮了重要作用。但是使用變壓器進行隔離可能會帶來設(shè)計上的折衷——尤其是成本、尺寸、性能變化性和裝配上的挑戰(zhàn)。

工程師需要意識到這些折衷，并在設(shè)計產(chǎn)品時進行相應(yīng)的取舍。例如，隔離式 DC-DC轉(zhuǎn)換器通常缺乏反饋回路，無法實現(xiàn)非隔離式產(chǎn)品的精確調(diào)節(jié)，因此其輸出電壓相對與設(shè)定點隨負(fù)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(jié)構(gòu)來構(gòu)建一個嵌入轉(zhuǎn)換器基底的變壓器。因此這種器件的成本更低、結(jié)構(gòu)更緊湊，展示出更好的元器件間電氣性能重復(fù)性，并可由自動貼片機拾取。這些隔離式
DC-DC 轉(zhuǎn)換器還符合高壓隔離和絕緣測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。