【導(dǎo)讀】升級后的DC/DC電源模塊具有更高的功率密度 - 幾十年來，小功率的隔離型DC/DC電源模塊一直被用來提供低功率輔助電壓，有效地將負載需要的電源電壓與功率匹配。例如：用在模擬接口的負電位、安全隔離或單純?yōu)殡娐诽貏e敏感的區(qū)域形成獨立的地回路。
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，功率密度一直在持續(xù)穩(wěn)定的增長，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）。
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以在更寬的負載范圍內(nèi)實現(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，而是用來給整個子系統(tǒng)甚至整個產(chǎn)品供電。由于電源轉(zhuǎn)換級的安全認證機構(gòu)評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)無須降額即可實現(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，一些商家采取樂觀態(tài)度似乎只為了跟上行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的腳步。宣稱的功率只在大幅降額時才有可能實現(xiàn)。例如，外殼溫度保持在不切實際的低溫、低負載占空比或強制風(fēng)冷的情況下，標(biāo)稱9W模塊才可能輸出全功率，但實際能用的可能更少。例如與競爭對手的標(biāo)稱9W模塊相比，RECOM的6W產(chǎn)品在+75°C對流冷卻的環(huán)境中能夠提供更高的功率。
現(xiàn)實中較低標(biāo)稱功率電源模塊比高標(biāo)稱功率電源模塊能提供更高的功率，這種差異顯示有的設(shè)計拓撲已到了極限。使用更昂貴的組件可能會進一步提高功率密度，但是必須徹底重新設(shè)計才能達到更高的功率水平。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。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，為了確保隔離等級因此需要仔細設(shè)計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，平面變壓器確實省去了組裝過程，同時具有穩(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。鍍錫的外殼能進一步將熱量傳遞到主機PCB。
增加了功能性的最新設(shè)計
先進的IC轉(zhuǎn)換器電路帶來的好處是擁有更多功能，進一步解決了重要問題。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（通常由放電電池供電）轉(zhuǎn)換器應(yīng)仍正常運行。開關(guān)穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器從輸入端的恒定功率來維持恒定負載，因此如果輸入電壓下降電流就會增加。如果轉(zhuǎn)換器繼續(xù)在最小額定輸入電壓以下運行，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關(guān)斷輸出。
RS12-Z電路的另一項功能是控制引腳或ON/OFF功能。作為輸入電源時能讓轉(zhuǎn)換器進入睡眠模式來降低功耗并延長電池壽命。該功能還可將轉(zhuǎn)換器輸出和其他電源回路進行延遲或“排序”?？梢栽凇俺跫墏?cè)”控制也可以通過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，而DC/DC 3只能在DC/DC 2輸出電壓完全建立后才啟動。
圖2: DC/DC轉(zhuǎn)換器時序設(shè)計范例
多功能的調(diào)節(jié)引腳
調(diào)節(jié)功能還可調(diào)整DC/DC輸出以補償外部電壓的下降。常見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故障而影響到另一個，如圖3所示。使用肖特基二極管時可以通過R1和R2將每個輸出往上微調(diào)約0.3V，使“門控”電源在正確的3.3V。請注意，轉(zhuǎn)換器的額定通常為最大功率輸出，因此往上調(diào)整輸出時應(yīng)同時降低額定電流。
圖3: 冗余配置中調(diào)節(jié)DC/DC輸出以補償二極管壓降
調(diào)節(jié)引腳通常還可以由外部電壓控制來達到其他功能。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”以測試電源變化的適應(yīng)能力。圖4的電路實現(xiàn)了該功能，包括一個正弦波振蕩器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)稱電壓匹配。VR1控制著變化幅度，IC2將其與負固定偏置相加在調(diào)節(jié)引腳上產(chǎn)生正偏置，并疊加正弦曲線。
圖4:電源回路循環(huán)使用調(diào)節(jié)引腳以實現(xiàn)“余量”
在其他外部電路中，調(diào)節(jié)引腳還可以遠程檢測，如果在轉(zhuǎn)換器的外部檢測到電流時，也能實現(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，DC/DC由外部電源供電因此必須滿足特定的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)換器滿足這兩種標(biāo)準(zhǔn)的常見的濾波器電路，也就是使用小型電解電容、陶瓷電容以及低值電感。
圖5: 常見的符合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，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系列就是一個很好的例子，使用完全創(chuàng)新的設(shè)計，適用于標(biāo)稱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:
[1] RECOM RS12-Z規(guī)格書鏈接: www.recom-power.com/pdf/Econoline/RS12.pdf
來源：RECOM
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