【導(dǎo)讀】除了防止電擊之外，DC/DC轉(zhuǎn)換器的隔離具有許多不同的用途。本文介紹了各種等級(jí)的隔離以及在常見(jiàn)的低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。
盡管輸入輸出沒(méi)有隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器仍可使用，但許多使用內(nèi)部變壓器將輸入和輸出隔離，這讓DC/DC轉(zhuǎn)換器有多種用途和功能。輸入和輸出浮地可以斷開(kāi)接地回路以減少電氣系統(tǒng)中的噪聲，并可以自由選擇輸出極性，因此隔離屏障能形成重要的安全機(jī)制以防止電擊和減少故障造成的其他危害。
由于輸出與輸入隔離，因此輸入或輸出端的“零”參考電壓的選擇也是任意的。例如，具有5V輸出的隔離式DC/DC可用于改變電壓和極性（例如，-48V輸入有+5V輸出），可升高現(xiàn)有的電壓（例如，從+15V電源產(chǎn)生+20V）或從單電源轉(zhuǎn)成雙輸出（例如從+5V轉(zhuǎn)成±5V）。圖1顯示這些轉(zhuǎn)換功能。
圖1：不同的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的使用方式
隔離等級(jí)取決于隔離屏障的絕緣強(qiáng)度。對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器，最常用的類(lèi)型如下：
● 功能 - 輸出是隔離的，但沒(méi)有電擊的保護(hù)
● 基本- 只要屏障完好無(wú)損，就能提供電擊保護(hù)
● 輔助 - 再增加一層屏障作為備用保護(hù)
● 增強(qiáng)- 相當(dāng)于兩層基本絕緣的一層屏障
那么要如何將這些類(lèi)型應(yīng)用至實(shí)際的變壓器呢？
功能隔離
以功能隔離來(lái)說(shuō)，變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組通常直接纏繞在一起，絕緣的性能取決于線包漆的厚度（圖2）。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以生產(chǎn)低成本和小尺寸的變壓器，可以承受高達(dá)4kV的DC隔離電壓測(cè)試，但是持續(xù)時(shí)間有限并且不能重復(fù)測(cè)試。
圖2：具有功能隔離的環(huán)形鐵芯變壓器
功能隔離轉(zhuǎn)換器的常見(jiàn)應(yīng)用于非隔離關(guān)鍵系統(tǒng)，隔離主要用于斷開(kāi)接地回路，阻止傳導(dǎo)干擾路徑或?yàn)楣δ苄越拥靥峁﹨⒖茧妷鹤兓?。在這些應(yīng)用中，隔離失效時(shí)不會(huì)對(duì)設(shè)備造成傷害或嚴(yán)重?fù)p壞，但可能會(huì)讓電路停止運(yùn)作。隔離提供了額外的防干擾安全措施及提高了可靠性，但這些與安全無(wú)關(guān)。
CAN總線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是一個(gè)很好的例子。CAN總線規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定必須隔離，但實(shí)際上隔離接口可以消除許多潛在的誤差或?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。由于總線的兩端都是隔離的，因此信號(hào)發(fā)送器和接收器可以任意地放在不同的接地電位。差分總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)忽略任何電氣干擾，沒(méi)有外部磁場(chǎng)引起總線電流的危險(xiǎn)。這就是為什么隔離式CAN總線系統(tǒng)經(jīng)常用于重工業(yè)自動(dòng)化工廠和生產(chǎn)流程。圖3是RECOM SMD DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)提供隔離總線電源的評(píng)估板[1]。
圖3：隔離式CAN總線評(píng)估板
基本隔離
基本隔離等級(jí)要求初級(jí)或次級(jí)繞組之間要有絕緣保護(hù)，額定值為系統(tǒng)電壓。由于，絕緣漆包線有針孔，因此，僅用漆包線來(lái)達(dá)到基本隔離等級(jí)是不夠的?；窘^緣等級(jí)變壓器的輸入和輸出繞組不是直接相互纏繞，而是以最小距離或物理屏障分開(kāi)，例如符合標(biāo)準(zhǔn)要求的絕緣膠帶（圖4）。
此方法也可用在尺寸較大的變壓器，因?yàn)橛凶銐虻目臻g在繞組之間添加膠帶。
圖4：基本隔離線軸型變壓器
以緊湊型DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，必須找到適合的基本隔離方法同時(shí)不會(huì)使變壓器變得太大。圖5是一個(gè)使用隔離擋墻來(lái)物理分隔繞組的變壓器。此外，鐵氧體磁環(huán)有塑料涂層，因此也與繞組分隔。RECOM的RxxPxx和RxxP2xx系列采用這種結(jié)構(gòu)并使用SIP8封裝（19.5 x 12.5 x 9.8mm），生產(chǎn)測(cè)試結(jié)果最高可達(dá)6.4kVDC。
圖5：用隔離擋墻物理分隔的變壓器
還有另一種制造基本絕緣變壓器的方法，即密封磁芯。這種構(gòu)造中的磁芯和一個(gè)繞組（通常是初級(jí)繞組）充滿環(huán)氧樹(shù)脂的塑料模中。安裝好蓋子之后，次級(jí)繞組通過(guò)中間的孔纏繞在整個(gè)結(jié)構(gòu)上（圖6）。絕緣性能并非來(lái)自于變壓器的線包漆，而是來(lái)自于塑料模和環(huán)氧樹(shù)脂。生產(chǎn)過(guò)程要確保環(huán)氧樹(shù)脂和蓋子的質(zhì)量和厚度滿足指定系統(tǒng)電壓下最低基本絕緣的要求。
圖6：灌封磁芯變壓器結(jié)構(gòu)
RECOM的RP-xxxx系列采用這種結(jié)構(gòu)并使在SIP7封裝（19.6 x 10.2 x 7mm）中提供額定值5.2kVDC隔離測(cè)試電壓。雖然制造過(guò)程比較復(fù)雜，但這種“封裝式核心”讓變壓器變得非常緊湊，且穩(wěn)定的可靠絕緣性能不會(huì)隨著時(shí)間而惡化。因此RP系列成為RECOM產(chǎn)品中最可靠的高隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，適用于軍用飛機(jī)或高壓測(cè)試設(shè)備等多種不同要求的應(yīng)用。
增強(qiáng)隔離
通過(guò)加強(qiáng)隔離，輸入和輸出繞組以較大的距離或至少由兩個(gè)物理屏障分開(kāi)，每個(gè)屏障等同于一層基本隔離等級(jí)（圖7）。
圖7：帶有基本和輔助絕緣層的增強(qiáng)型變壓器結(jié)構(gòu)示例（如圖中粗黑線所示）
然而，多層絕緣會(huì)增加變壓器體積，限制了小型化的可能性。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是使用三層絕緣（TIW）變壓器線，因?yàn)檫@些線能夠提供加強(qiáng)絕緣。RECOM使用了這種線并成功設(shè)計(jì)出REM1系列DC/DC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器采用SIP 7封裝，同時(shí)通過(guò)醫(yī)療認(rèn)證符合IEC/EN/UL 60601-1安全標(biāo)準(zhǔn)，滿足每分鐘4 kVAC隔離、2 x MOPP和250 VAC工作電壓隔離的要求。
圖8：RECOM SIP 7封裝醫(yī)療級(jí)REM1 DC/DC轉(zhuǎn)換器
文獻(xiàn) 1. www.recom-power.com
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