DC/DC转换器的隔离
2019-8-14
除了防止电击之外，DC/DC转换器的隔离具有许多不同的用途。本文介绍了各种等级的隔离以及在常见的低功耗DC/DC转换器中的应用。
尽管输入输出没有隔离的DC/DC转换器仍可使用，但许多使用内部变压器将输入和输出隔离，这让DC/DC转换器有多种用途和功能。输入和输出浮地可以断开接地回路以减少电气系统中的噪声，并可以自由选择输出极性，因此隔离屏障能形成重要的安全机制以防止电击和减少故障造成的其他危害。
由于输出与输入隔离，因此输入或输出端的“零”参考电压的选择也是任意的。例如，具有5V输出的隔离式DC/DC可用于改变电压和极性（例如，-48V输入有+5V输出），可升高现有的电压（例如，从+15V电源产生+20V）或从单电源转成双输出（例如从+5V转成±5V）。图1显示这些转换功能。
图1：不同的隔离式DC/DC转换器的使用方式
隔离等级取决于隔离屏障的绝缘强度。对于DC/DC转换器，最常用的类型如下：
那么要如何将这些类型应用至实际的变压器呢？
功能隔离
以功能隔离来说，变压器初级和次级绕组通常直接缠绕在一起，绝缘的性能取决于线包漆的厚度（图2）。这个方法的优点是可以生产低成本和小尺寸的变压器，可以承受高达4kV的DC隔离电压测试，但是持续时间有限并且不能重复测试。
图2：具有功能隔离的环形铁芯变压器
功能隔离转换器的常见应用于非隔离关键系统，隔离主要用于断开接地回路，阻止传导干扰路径或为功能性接地提供参考电压变化。在这些应用中，隔离失效时不会对设备造成伤害或严重损坏，但可能会让电路停止运作。隔离提供了额外的防干扰安全措施及提高了可靠性，但这些与安全无关。
CAN总线数据通信系统是一个很好的例子。CAN总线规范中没有规定必须隔离，但实际上隔离接口可以消除许多潜在的误差或对数据传输的干扰。由于总线的两端都是隔离的，因此信号发送器和接收器可以任意地放在不同的接地电位。差分总线拓扑结构会忽略任何电气干扰，没有外部磁场引起总线电流的危险。这就是为什么隔离式CAN总线系统经常用于重工业自动化工厂和生产流程。图3是RECOM SMD DC/DC转换器来提供隔离总线电源的评估板[1]。
图3：隔离式CAN总线评估板
基本隔离
基本隔离等级要求初级或次级绕组之间要有绝缘保护，额定值为系统电压。由于，绝缘漆包线有针孔，因此，仅用漆包线来达到基本隔离等级是不够的。基本绝缘等级变压器的输入和输出绕组不是直接相互缠绕，而是以最小距离或物理屏障分开，例如符合标准要求的绝缘胶带（图4）。
此方法也可用在尺寸较大的变压器，因为有足够的空间在绕组之间添加胶带。
图4：基本隔离线轴型变压器
以紧凑型DC/DC转换器来说，必须找到适合的基本隔离方法同时不会使变压器变得太大。图5是一个使用隔离挡墙来物理分隔绕组的变压器。此外，铁氧体磁环有塑料涂层，因此也与绕组分隔。RECOM的RxxPxx和RxxP2xx系列采用这种结构并使用SIP8封装（19.5 x 12.5 x 9.8mm），生产测试结果最高可达6.4kVDC。
图5：用隔离挡墙物理分隔的变压器
还有另一种制造基本绝缘变压器的方法，即密封磁芯。这种构造中的磁芯和一个绕组（通常是初级绕组）充满环氧树脂的塑料模中。安装好盖子之后，次级绕组通过中间的孔缠绕在整个结构上（图6）。绝缘性能并非来自于变压器的线包漆，而是来自于塑料模和环氧树脂。生产过程要确保环氧树脂和盖子的质量和厚度满足指定系统电压下最低基本绝缘的要求。
图6：灌封磁芯变压器结构
RECOM的RP-xxxx系列采用这种结构并使在SIP7封装（19.6 x 10.2 x 7mm）中提供额定值5.2kVDC隔离测试电压。虽然制造过程比较复杂，但这种“封装式核心”让变压器变得非常紧凑，且稳定的可靠绝缘性能不会随着时间而恶化。因此RP系列成为RECOM产品中最可靠的高隔离型DC/DC转换器，适用于军用飞机或高压测试设备等多种不同要求的应用。
增强隔离
通过加强隔离，输入和输出绕组以较大的距离或至少由两个物理屏障分开，每个屏障等同于一层基本隔离等级（图7）。
图7：带有基本和辅助绝缘层的增强型变压器结构示例（如图中粗黑线所示）
然而，多层绝缘会增加变压器体积，限制了小型化的可能性。解决这个问题的一种方法是使用三层绝缘（TIW）变压器线，因为这些线能够提供加强绝缘。RECOM使用了这种线并成功设计出REM1系列DC/DC转换器，转换器采用SIP 7封装，同时通过医疗认证符合IEC/EN/UL 60601-1安全标准，满足每分钟4 kVAC隔离、2 x MOPP和250 VAC工作电压隔离的要求。
图8：RECOM SIP 7封装医疗级REM1 DC/DC转换器
文献 1. www.recom-power.com
RECOM: We Power your Products
由于输出与输入隔离，因此输入或输出端的“零”参考电压的选择也是任意的。例如，具有5V输出的隔离式DC/DC可用于改变电压和极性（例如，-48V输入有+5V输出），可升高现有的电压（例如，从+15V电源产生+20V）或从单电源转成双输出（例如从+5V转成±5V）。图1显示这些转换功能。
图1：不同的隔离式DC/DC转换器的使用方式
隔离等级取决于隔离屏障的绝缘强度。对于DC/DC转换器，最常用的类型如下：
- 功能 - 输出是隔离的，但没有电击的保护
- 基本- 只要屏障完好无损，就能提供电击保护
- 辅助 - 再增加一层屏障作为备用保护
- 增强- 相当于两层基本绝缘的一层屏障
那么要如何将这些类型应用至实际的变压器呢？
功能隔离
以功能隔离来说，变压器初级和次级绕组通常直接缠绕在一起，绝缘的性能取决于线包漆的厚度（图2）。这个方法的优点是可以生产低成本和小尺寸的变压器，可以承受高达4kV的DC隔离电压测试，但是持续时间有限并且不能重复测试。
图2：具有功能隔离的环形铁芯变压器
功能隔离转换器的常见应用于非隔离关键系统，隔离主要用于断开接地回路，阻止传导干扰路径或为功能性接地提供参考电压变化。在这些应用中，隔离失效时不会对设备造成伤害或严重损坏，但可能会让电路停止运作。隔离提供了额外的防干扰安全措施及提高了可靠性，但这些与安全无关。
CAN总线数据通信系统是一个很好的例子。CAN总线规范中没有规定必须隔离，但实际上隔离接口可以消除许多潜在的误差或对数据传输的干扰。由于总线的两端都是隔离的，因此信号发送器和接收器可以任意地放在不同的接地电位。差分总线拓扑结构会忽略任何电气干扰，没有外部磁场引起总线电流的危险。这就是为什么隔离式CAN总线系统经常用于重工业自动化工厂和生产流程。图3是RECOM SMD DC/DC转换器来提供隔离总线电源的评估板[1]。
图3：隔离式CAN总线评估板
基本隔离
基本隔离等级要求初级或次级绕组之间要有绝缘保护，额定值为系统电压。由于，绝缘漆包线有针孔，因此，仅用漆包线来达到基本隔离等级是不够的。基本绝缘等级变压器的输入和输出绕组不是直接相互缠绕，而是以最小距离或物理屏障分开，例如符合标准要求的绝缘胶带（图4）。
此方法也可用在尺寸较大的变压器，因为有足够的空间在绕组之间添加胶带。
图4：基本隔离线轴型变压器
以紧凑型DC/DC转换器来说，必须找到适合的基本隔离方法同时不会使变压器变得太大。图5是一个使用隔离挡墙来物理分隔绕组的变压器。此外，铁氧体磁环有塑料涂层，因此也与绕组分隔。RECOM的RxxPxx和RxxP2xx系列采用这种结构并使用SIP8封装（19.5 x 12.5 x 9.8mm），生产测试结果最高可达6.4kVDC。
图5：用隔离挡墙物理分隔的变压器
还有另一种制造基本绝缘变压器的方法，即密封磁芯。这种构造中的磁芯和一个绕组（通常是初级绕组）充满环氧树脂的塑料模中。安装好盖子之后，次级绕组通过中间的孔缠绕在整个结构上（图6）。绝缘性能并非来自于变压器的线包漆，而是来自于塑料模和环氧树脂。生产过程要确保环氧树脂和盖子的质量和厚度满足指定系统电压下最低基本绝缘的要求。
图6：灌封磁芯变压器结构
RECOM的RP-xxxx系列采用这种结构并使在SIP7封装（19.6 x 10.2 x 7mm）中提供额定值5.2kVDC隔离测试电压。虽然制造过程比较复杂，但这种“封装式核心”让变压器变得非常紧凑，且稳定的可靠绝缘性能不会随着时间而恶化。因此RP系列成为RECOM产品中最可靠的高隔离型DC/DC转换器，适用于军用飞机或高压测试设备等多种不同要求的应用。
增强隔离
通过加强隔离，输入和输出绕组以较大的距离或至少由两个物理屏障分开，每个屏障等同于一层基本隔离等级（图7）。
图7：带有基本和辅助绝缘层的增强型变压器结构示例（如图中粗黑线所示）
然而，多层绝缘会增加变压器体积，限制了小型化的可能性。解决这个问题的一种方法是使用三层绝缘（TIW）变压器线，因为这些线能够提供加强绝缘。RECOM使用了这种线并成功设计出REM1系列DC/DC转换器，转换器采用SIP 7封装，同时通过医疗认证符合IEC/EN/UL 60601-1安全标准，满足每分钟4 kVAC隔离、2 x MOPP和250 VAC工作电压隔离的要求。
图8：RECOM SIP 7封装医疗级REM1 DC/DC转换器
文献 1. www.recom-power.com
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