【導讀】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、安全隔離或單純為電路特別敏感的區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非穩壓輸出的緊湊型SIP-7，足以為上述許多應用提供足夠的功率。多年來，功率密度一直在持續穩定的增長，現在已經能夠以更小的SIP-4封裝提供3W非穩壓輸出（圖1）。
圖1：從90年代(左)至今的非穩壓及穩壓DC/DC功率密度
很快出現了穩壓型電源模塊，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實現最佳效率，提供高功率密度、4:1輸入范圍以及輸出調節和ON/OFF控制等功能。2W DIP24封裝為最初的產品，而SIP7和SIP8 2W、3W和6W的版本很快地陸續推出，現在則達到了12W的標準（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甚至整個產品供電。由于電源轉換級的安全認證機構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。
新的構造技術無須降額即可實現更高功率密度
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度似乎只為了跟上行業領導者的腳步。宣稱的功率只在大幅降額時才有可能實現。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冷的情況下，標稱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稱9W模塊相比，RECOM的6W產品在+75°C對流冷卻的環境中能夠提供更高的功率。
現實中較低標稱功率電源模塊比高標稱功率電源模塊能提供更高的功率，這種差異顯示有的設計拓撲已到了極限。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構改用平面變壓器的設計。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，是相當有挑戰技術的。此外，為了確保隔離等級因此需要仔細設計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布局和不同的匝數比，這讓制造過程更加復雜。與傳統的線繞變壓器相比，平面變壓器確實省去了組裝過程，同時具有穩定的重復性。隨著效率的提高，轉換器憑借先進的熱管理能在4:1輸入范圍、75°C的環境下提供12W輸出。由于具有低熱阻特性，該轉換器產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計
先進的IC轉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，作為子系統或產品的主電源，即使輸入電源下降時（通常由放電電池供電）轉換器應仍正常運行。開關穩壓轉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。如果轉換器繼續在最小額定輸入電壓以下運行，高電流可能造成轉換器損壞，因此許多控制IC都內置欠壓鎖定功能，確保轉換器在設定的最小輸入電壓時關斷輸出。
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。該功能還可將轉換器輸出和其他電源回路進行延遲或“排序”。可以在“初級側”控制也可以通過光耦合器的隔離輸出。例如圖2示范了轉換器配置，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轉換器時序設計范例
多功能的調節引腳
調節功能還可調整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轉換器，在轉換器中配置輸出串聯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約0.3V，使“門控”電源在正確的3.3V。請注意，轉換器的額定通常為最大功率輸出，因此往上調整輸出時應同時降低額定電流。
圖3: 冗余配置中調節DC/DC輸出以補償二極管壓降
調節引腳通常還可以由外部電壓控制來達到其他功能。例如，ATE系統需要電源供電，在允許公差之間循環做到“裕量”以測試電源變化的適應能力。圖4的電路實現了該功能，包括一個正弦波振蕩器IC1耦合到RECOM RS12-Z DC/DC轉換器的調節引腳，其設置的DC偏置與調節引腳的標稱電壓匹配。VR1控制著變化幅度，IC2將其與負固定偏置相加在調節引腳上產生正偏置，并疊加正弦曲線。
圖4:電源回路循環使用調節引腳以實現“余量”
在其他外部電路中，調節引腳還可以遠程檢測，如果在轉換器的外部檢測到電流時，也能實現控制功率共享功能。
DC/DC EMI濾波器應保持小巧
作為低功率設備的主要電源時，DC/DC由外部電源供電因此必須滿足特定的EMC規范，通常是EN 55032 Class A或Class B標準。為了符合標準，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轉換器滿足這兩種標準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標準的DC/DC EMI濾波器
自首次推出以來，模塊化DC/DC轉換器有了顯著的發展。功率密度和功能皆有大幅提高，因此可以作為現代電子系統的精密電源使用。RECOM RS12-Z系列就是一個很好的例子，使用完全創新的設計，適用于標稱12、24或48V DC輸入電壓，在75°C的溫度范圍內提供12W的輸出。
文獻:
[1] RECOM RS12-Z規格書鏈接: www.recom-power.com/pdf/Econoline/RS12.pdf
來源：RECOM
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