最大化的发挥DC/DC转换器的性能
2020-4-20
升级后的DC/DC电源模块具有更高的功率密度 - 几十年来，小功率的隔离型DC/DC电源模块一直被用来提供低功率辅助电压，有效地将负载需要的电源电压与功率匹配。例如：用在模拟接口的负电位、安全隔离或单纯为电路特别敏感的区域形成独立的地回路。
模块的通孔单列直插式封装（SIP）已十分普遍，加上最早提供1W非稳压输出的紧凑型SIP-7，足以为上述许多应用提供足够的功率。多年来，功率密度一直在持续稳定的增长，现在已经能够以更小的SIP-4封装提供3W非稳压输出（图1）。
图1：从90年代(左)至今的非稳压及稳压DC/DC功率密度
很快出现了稳压型电源模块，最初使用自振荡、可变频率的反激电路来减少组件数量，但最新版本通常使用固定频率IC以在更宽的负载范围内实现最佳效率，提供高功率密度、4:1输入范围以及输出调节和ON/OFF控制等功能。2W DIP24封装为最初的产品，而SIP7和SIP8 2W、3W和6W的版本很快地陆续推出，现在则达到了12W的标准（图1）。
随着功率水平的提高，模块不再只是作为辅助电源，而是用来给整个子系统甚至整个产品供电。由于电源转换级的安全认证机构评定隔离变得更加重要，SIP7或SIP8封装的输入和输出引脚之间也有足够的爬电距离和电气间隙，因此当前趋势是增加功率密度，而非缩小模块尺寸并维持相同的功率。
新的构造技术无须降额即可实现更高功率密度
随着商家推出了更多高功率密度的SIP8 DC/DC模块，一些商家采取乐观态度似乎只为了跟上行业领导者的脚步。宣称的功率只在大幅降额时才有可能实现。例如，外壳温度保持在不切实际的低温、低负载占空比或强制风冷的情况下，标称9W模块才可能输出全功率，但实际能用的可能更少。例如与竞争对手的标称9W模块相比，RECOM的6W产品在+75°C对流冷却的环境中能够提供更高的功率。
现实中较低标称功率电源模块比高标称功率电源模块能提供更高的功率，这种差异显示有的设计拓扑已到了极限。使用更昂贵的组件可能会进一步提高功率密度，但是必须彻底重新设计才能达到更高的功率水平。例如，舍弃低效率的线轴型变压器结构改用平面变压器的设计。这就是RECOM [1] 新的RS12-Z系列采用的做法。
平面变压器使用PCB走线作绕组，必须使用有各种盲孔和埋孔的多层PCB，是相当有挑战技术的。此外，为了确保隔离等级因此需要仔细设计PCB叠层（RS12-Z隔离电压为3kVDC）。每种输入输出电压组合具有不同的PCB布局和不同的匝数比，这让制造过程更加复杂。与传统的线绕变压器相比，平面变压器确实省去了组装过程，同时具有稳定的重复性。随着效率的提高，转换器凭借先进的热管理能在4:1输入范围、75°C的环境下提供12W输出。由于具有低热阻特性，该转换器产生的热量可以有效地传到金属外壳。镀锡的外壳能进一步将热量传递到主机PCB。
增加了功能性的最新设计
先进的IC转换器电路带来的好处是拥有更多功能，进一步解决了重要问题。例如，作为子系统或产品的主电源，即使输入电源下降时（通常由放电电池供电）转换器应仍正常运行。开关稳压转换器从输入端的恒定功率来维持恒定负载，因此如果输入电压下降电流就会增加。如果转换器继续在最小额定输入电压以下运行，高电流可能造成转换器损坏，因此许多控制IC都内置欠压锁定功能，确保转换器在设定的最小输入电压时关断输出。
RS12-Z电路的另一项功能是控制引脚或ON/OFF功能。作为输入电源时能让转换器进入睡眠模式来降低功耗并延长电池寿命。该功能还可将转换器输出和其他电源回路进行延迟或“排序”。可以在“初级侧”控制也可以通过光耦合器的隔离输出。例如图2示范了转换器配置，R1/C1的固定延迟供电给DC/DC 1之后DC/DC 2才启动，而DC/DC 3只能在DC/DC 2输出电压完全建立后才启动。
图2: DC/DC转换器时序设计范例
多功能的调节引脚
调节功能还可调整DC/DC输出以补偿外部电压的下降。常见的用途是为了冗余并联转换器，在转换器中配置输出串联二极管以防止其中一个故障而影响到另一个，如图3所示。使用肖特基二极管时可以通过R1和R2将每个输出往上微调约0.3V，使“门控”电源在正确的3.3V。请注意，转换器的额定通常为最大功率输出，因此往上调整输出时应同时降低额定电流。
图3: 冗余配置中调节DC/DC输出以补偿二极管压降
调节引脚通常还可以由外部电压控制来达到其他功能。例如，ATE系统需要电源供电，在允许公差之间循环做到“裕量”以测试电源变化的适应能力。图4的电路实现了该功能，包括一个正弦波振荡器IC1耦合到RECOM RS12-Z DC/DC转换器的调节引脚，其设置的DC偏置与调节引脚的标称电压匹配。VR1控制着变化幅度，IC2将其与负固定偏置相加在调节引脚上产生正偏置，并叠加正弦曲线。
图4:电源回路循环使用调节引脚以实现“余量”
在其他外部电路中，调节引脚还可以远程检测，如果在转换器的外部检测到电流时，也能实现控制功率共享功能。
DC/DC EMI滤波器应保持小巧
作为低功率设备的主要电源时，DC/DC由外部电源供电因此必须满足特定的EMC规范，通常是EN 55032 Class A或Class B标准。为了符合标准，特别是噪声大的变频器可能需要额外的滤波器组件，这些组件可能比变频器本身占用更多的电路板空间。图5显示了能够让RECOM RS12-Z转换器满足这两种标准的常见的滤波器电路，也就是使用小型电解电容、陶瓷电容以及低值电感。
图5: 常见的符合EN 55032 Class A和Class B标准的DC/DC EMI滤波器
自首次推出以来，模块化DC/DC转换器有了显著的发展。功率密度和功能皆有大幅提高，因此可以作为现代电子系统的精密电源使用。RECOM RS12-Z系列就是一个很好的例子，使用完全创新的设计，适用于标称12、24或48V DC输入电压，在75°C的温度范围内提供12W的输出。
文献:
[1] RECOM RS12-Z规格书链接: www.recom-power.com/pdf/Econoline/RS12.pdf
RECOM: We Power your Products
图1：从90年代(左)至今的非稳压及稳压DC/DC功率密度
很快出现了稳压型电源模块，最初使用自振荡、可变频率的反激电路来减少组件数量，但最新版本通常使用固定频率IC以在更宽的负载范围内实现最佳效率，提供高功率密度、4:1输入范围以及输出调节和ON/OFF控制等功能。2W DIP24封装为最初的产品，而SIP7和SIP8 2W、3W和6W的版本很快地陆续推出，现在则达到了12W的标准（图1）。
随着功率水平的提高，模块不再只是作为辅助电源，而是用来给整个子系统甚至整个产品供电。由于电源转换级的安全认证机构评定隔离变得更加重要，SIP7或SIP8封装的输入和输出引脚之间也有足够的爬电距离和电气间隙，因此当前趋势是增加功率密度，而非缩小模块尺寸并维持相同的功率。
新的构造技术无须降额即可实现更高功率密度
随着商家推出了更多高功率密度的SIP8 DC/DC模块，一些商家采取乐观态度似乎只为了跟上行业领导者的脚步。宣称的功率只在大幅降额时才有可能实现。例如，外壳温度保持在不切实际的低温、低负载占空比或强制风冷的情况下，标称9W模块才可能输出全功率，但实际能用的可能更少。例如与竞争对手的标称9W模块相比，RECOM的6W产品在+75°C对流冷却的环境中能够提供更高的功率。
现实中较低标称功率电源模块比高标称功率电源模块能提供更高的功率，这种差异显示有的设计拓扑已到了极限。使用更昂贵的组件可能会进一步提高功率密度，但是必须彻底重新设计才能达到更高的功率水平。例如，舍弃低效率的线轴型变压器结构改用平面变压器的设计。这就是RECOM [1] 新的RS12-Z系列采用的做法。
平面变压器使用PCB走线作绕组，必须使用有各种盲孔和埋孔的多层PCB，是相当有挑战技术的。此外，为了确保隔离等级因此需要仔细设计PCB叠层（RS12-Z隔离电压为3kVDC）。每种输入输出电压组合具有不同的PCB布局和不同的匝数比，这让制造过程更加复杂。与传统的线绕变压器相比，平面变压器确实省去了组装过程，同时具有稳定的重复性。随着效率的提高，转换器凭借先进的热管理能在4:1输入范围、75°C的环境下提供12W输出。由于具有低热阻特性，该转换器产生的热量可以有效地传到金属外壳。镀锡的外壳能进一步将热量传递到主机PCB。
增加了功能性的最新设计
先进的IC转换器电路带来的好处是拥有更多功能，进一步解决了重要问题。例如，作为子系统或产品的主电源，即使输入电源下降时（通常由放电电池供电）转换器应仍正常运行。开关稳压转换器从输入端的恒定功率来维持恒定负载，因此如果输入电压下降电流就会增加。如果转换器继续在最小额定输入电压以下运行，高电流可能造成转换器损坏，因此许多控制IC都内置欠压锁定功能，确保转换器在设定的最小输入电压时关断输出。
RS12-Z电路的另一项功能是控制引脚或ON/OFF功能。作为输入电源时能让转换器进入睡眠模式来降低功耗并延长电池寿命。该功能还可将转换器输出和其他电源回路进行延迟或“排序”。可以在“初级侧”控制也可以通过光耦合器的隔离输出。例如图2示范了转换器配置，R1/C1的固定延迟供电给DC/DC 1之后DC/DC 2才启动，而DC/DC 3只能在DC/DC 2输出电压完全建立后才启动。
图2: DC/DC转换器时序设计范例
多功能的调节引脚
调节功能还可调整DC/DC输出以补偿外部电压的下降。常见的用途是为了冗余并联转换器，在转换器中配置输出串联二极管以防止其中一个故障而影响到另一个，如图3所示。使用肖特基二极管时可以通过R1和R2将每个输出往上微调约0.3V，使“门控”电源在正确的3.3V。请注意，转换器的额定通常为最大功率输出，因此往上调整输出时应同时降低额定电流。
图3: 冗余配置中调节DC/DC输出以补偿二极管压降
调节引脚通常还可以由外部电压控制来达到其他功能。例如，ATE系统需要电源供电，在允许公差之间循环做到“裕量”以测试电源变化的适应能力。图4的电路实现了该功能，包括一个正弦波振荡器IC1耦合到RECOM RS12-Z DC/DC转换器的调节引脚，其设置的DC偏置与调节引脚的标称电压匹配。VR1控制着变化幅度，IC2将其与负固定偏置相加在调节引脚上产生正偏置，并叠加正弦曲线。
图4:电源回路循环使用调节引脚以实现“余量”
在其他外部电路中，调节引脚还可以远程检测，如果在转换器的外部检测到电流时，也能实现控制功率共享功能。
DC/DC EMI滤波器应保持小巧
作为低功率设备的主要电源时，DC/DC由外部电源供电因此必须满足特定的EMC规范，通常是EN 55032 Class A或Class B标准。为了符合标准，特别是噪声大的变频器可能需要额外的滤波器组件，这些组件可能比变频器本身占用更多的电路板空间。图5显示了能够让RECOM RS12-Z转换器满足这两种标准的常见的滤波器电路，也就是使用小型电解电容、陶瓷电容以及低值电感。
图5: 常见的符合EN 55032 Class A和Class B标准的DC/DC EMI滤波器
自首次推出以来，模块化DC/DC转换器有了显著的发展。功率密度和功能皆有大幅提高，因此可以作为现代电子系统的精密电源使用。RECOM RS12-Z系列就是一个很好的例子，使用完全创新的设计，适用于标称12、24或48V DC输入电压，在75°C的温度范围内提供12W的输出。
文献:
[1] RECOM RS12-Z规格书链接: www.recom-power.com/pdf/Econoline/RS12.pdf
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