隨著工業(yè)、運(yùn)輸和醫(yī)療應(yīng)用中電子設(shè)備的使用愈加頻繁，設(shè)計(jì)人員需要確保支持電源子系統(tǒng)在物理和電氣要求嚴(yán)苛的環(huán)境中仍能保持高性能，并滿足嚴(yán)格的法規(guī)和安全要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須在越來(lái)越緊張的預(yù)算和設(shè)計(jì)日程安排約束下完成工作。
隨著時(shí)間的推移，DC/DC 轉(zhuǎn)換器經(jīng)歷了巨大的變化，以滿足各種要求。這些轉(zhuǎn)換器減小了尺寸以提高功率密度、節(jié)省空間，并拓寬了輸入范圍以簡(jiǎn)化庫(kù)存、精簡(jiǎn)物料清單 (BOM)。為使設(shè)計(jì)人員的工作更輕松，器件可提供的其他增強(qiáng)功能包括低噪聲輸出、更嚴(yán)格的負(fù)載調(diào)整率、強(qiáng)大的保護(hù)和安全功能，以及出色的熱管理性能。不過(guò)，正如設(shè)計(jì)人員所預(yù)想，并非所有的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都一樣，因此他們?cè)谶x型時(shí)必須加以區(qū)分，才能確保設(shè)計(jì)和應(yīng)用成功。
本文將介紹 Bellnix、HVM Technology、Murata Power Solutions、Vicor 和 XP Power 推出的緊湊型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這些器件可用于確保低紋波噪聲，并滿足單輸出和雙輸出電壓的要求。此外，本文還將重點(diǎn)說(shuō)明各種特性和增強(qiáng)功能，以及這些特性如何幫助設(shè)計(jì)人員提高功率調(diào)節(jié)功能、降低噪聲、確保實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，并提供更出色的熱管理。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器的工作原理
顧名思義，DC/DC 轉(zhuǎn)換器將直流電源的輸入電壓轉(zhuǎn)換為其他直流電源的輸出電壓。輸出電壓可以低于輸入電壓（降壓轉(zhuǎn)換器），也可以高于輸入電壓（升壓轉(zhuǎn)換器）。DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是隔離式，也可以是非隔離式。隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出之間使用變壓器，因而不存在直流路徑（圖 1）。
圖 1：如圖所示，這款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)和輸出級(jí)之間為變壓器，因此是隔離式轉(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：XP Power）
相比之下，非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出之間有直流路徑，常用于電壓變化較小的應(yīng)用。
關(guān)鍵性能和設(shè)計(jì)考慮因素
DC/DC 轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵性能特點(diǎn)包括能效、額定電流、紋波電壓、調(diào)整率、瞬態(tài)響應(yīng)、額定電壓、尺寸和重量。有關(guān)這些性能的更多信息，請(qǐng)參見《DC/DC 轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介》(Introduction to DC/DC converters)。此外，設(shè)計(jì)人員還需考慮轉(zhuǎn)換器能否支持各種標(biāo)稱輸入電壓。假定轉(zhuǎn)換器還能為預(yù)期負(fù)載提供所需的必要輸出電壓和額定電流，則該器件就可以支持多個(gè)應(yīng)用，從而減少庫(kù)存和物流。
針對(duì)過(guò)壓、欠壓、反極性、短路和過(guò)熱情況的保護(hù)也至關(guān)重要，具體取決于應(yīng)用和電源特性。同樣，它也必須具有良好的電磁兼容性 (EMC)，并滿足電磁干擾 (EMI) 要求。由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中使用的開關(guān)電源會(huì)將噪聲直接引入負(fù)載，并產(chǎn)生射頻噪聲，從而影響周邊電路的穩(wěn)定性和精度，因此這一點(diǎn)尤為重要。
最后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件，仔細(xì)檢查轉(zhuǎn)換器的熱特性，以便根據(jù)需要充分通風(fēng)和采用其他熱管理技術(shù)。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器越小越好
有些應(yīng)用要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器外形緊湊，以便節(jié)省空間、簡(jiǎn)化安裝。對(duì)于這類應(yīng)用，Bellnix 專門設(shè)計(jì)了 OHV 系列 1.5W 中高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。相比開發(fā)時(shí)可用的模塊，所需的安裝面積減少了近 60%。OHV12-1.0K1500P 是系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 器件，尺寸為 44 x 16 x 30 mm，1.5 mA 電流時(shí)輸出電壓為 1000 V（圖 2）。此外，Bellnix 的這個(gè)系列還針對(duì)紋波噪聲進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，峰峰值 (P-P) 可低至 5 mV。
圖 2：Bellnix 的超緊湊型 OHV12-1.0K500P 轉(zhuǎn)換器尺寸為 44 x 16 x 30 mm，1.5 mA 電流時(shí)輸出電壓為 1000 V。（圖片來(lái)源：Bellnix）
該系列輸入電壓范圍為 11 V 至 13 V，輸入電流為 0.28 A。輸出電壓范圍包括 0 至 +/-1000 V（0 至 1.5 mA）、0 至 +/-1500 V（0 至 1.0 mA）和 0 至 +/-2000 V（0 至 0.7 mA），具體取決于器件型號(hào)。
儀器儀表等應(yīng)用中，這些器件低至 5 mVP-P 的紋波噪聲相當(dāng)重要，因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中，高壓電源的任何不穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生噪聲并影響設(shè)備的精度。Bellnix 自主開發(fā)的電路技術(shù)能將噪聲水平降至最低。雖然這些自主式器件無(wú)需任何外部元器件，但是設(shè)計(jì)人員仍可添加元器件以進(jìn)一步降低噪聲，減小輸入阻抗（圖 3）。
圖 3：設(shè)計(jì)人員可在端子側(cè)添加電容器 C1，以便減小電源與轉(zhuǎn)換器之間因引線長(zhǎng)度而產(chǎn)生的輸入阻抗。為了進(jìn)一步降低噪聲，則可以在負(fù)載兩端并聯(lián) C2。（圖片來(lái)源：Bellnix）
例如，為了減小轉(zhuǎn)換器與電源之間因距離較遠(yuǎn)而產(chǎn)生的輸入阻抗，可以在輸入端添加電容器 C1。該電容器應(yīng)接在轉(zhuǎn)換器的端子側(cè)，以減小引線電感。在充分考慮爬電距離和空間距離的情況下，可以慎重地將電容器 (C2) 接在靠近負(fù)載的位置，使輸入輸出接線最短，以便降低噪聲。
該系列中的所有器件都具有內(nèi)置短路和過(guò)流保護(hù)功能，并且采用五面金屬外殼以進(jìn)一步提高電源可靠性。該外殼采用了額外的屏蔽措施，可以保護(hù)器件免受過(guò)熱和高溫影響。OHV 系列的輸出電壓范圍為 0 V 至 2000 V，可通過(guò)調(diào)節(jié)外部電壓或外部可變電阻來(lái)控制。
對(duì)于電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)人員而言，HVM Technology 的 nHV 系列可提供 100 mW 精密的穩(wěn)壓電源，輸出電壓高達(dá) 1 kV，封裝尺寸為 11.4 mm x 8.9 mm，高度為 9.4 mm。具體而言，從空載到滿載的負(fù)載調(diào)整率 < 0.2%（典型值）。
nHV 系列的輸入電壓為 5 V (4.5 V ± 0.5 V)。根據(jù)器件型號(hào)不同，輸出電壓在 83 μA 時(shí)介于 -1200 V (NHV0512N) 與 1200 V (NHV0512) 之間，1 mA 時(shí)介于 -100 V (NHV0501N) 與 100 V (NHV0501) 之間。
該系列器件采用高阻抗編程輸入 (100 kΩ)，因而易于安裝，無(wú)需低阻抗可調(diào)電源電壓。輸出電壓與輸入電源電壓無(wú)關(guān)，而是與編程電壓成比例，以確保出色的線性度。
寬輸入范圍
與 nHV 系列一樣，XP Power 的 DTJ15 和 DTJ20 系列 15 W 和 20 W DC/DC 轉(zhuǎn)換器也采用小型封裝，以便于安裝和高能效運(yùn)行，不過(guò)有一點(diǎn)不同：這兩個(gè)系列可安裝在機(jī)架或 DIN 導(dǎo)軌上，通過(guò)螺紋端子連接（圖 4）。
圖 4：DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器針對(duì)小尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，可以使用 DIN 導(dǎo)軌輕松安裝，并且具有較寬的輸入電壓范圍。（圖片來(lái)源：XP Power）
除了易于安裝外，這些電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要特性是可涵蓋較寬的直流電壓輸入范圍：9 V 至 36 V 和 18 V 至 75 V。這些轉(zhuǎn)換器可使用多個(gè)標(biāo)稱電池電壓和車輛電源等各種輸入源，因而適用于眾多工業(yè)、商業(yè)和通信應(yīng)用。
DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 控制器共提供了 14 種型號(hào)，其中單輸出器件可提供 3.3 V、5.0 V、12.0 V 和 15.0 V 的電壓，雙輸出器件可提供 ±5.0 V、±12.0 V 和 ±15.0 V 的電壓（圖 5）。
圖 5：DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以其寬輸入電壓范圍和輸出電壓范圍而著稱，后者共提供 14 種型號(hào)。上圖顯示了 15 W 轉(zhuǎn)換器 DTJ15 的輸出。（圖片來(lái)源：XP Power）
DC/DC 轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)程開/關(guān)功能使其能由軟件控制，有助于控制總功耗，使遠(yuǎn)程設(shè)備高效運(yùn)行。
DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要特性是軟啟動(dòng)，通過(guò)調(diào)制內(nèi)部誤差放大器基準(zhǔn)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而近似輸出分段線性斜坡電壓，直至達(dá)到標(biāo)稱輸出電壓。此外，DTJ15 和 DTJ20 系列控制器還提供其他保護(hù)功能，包括短路保護(hù)和輸入反極性保護(hù)。
保護(hù)功能組合
在鐵路、工業(yè)和運(yùn)輸應(yīng)用中，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)瞬態(tài)階躍負(fù)載的快速建立時(shí)間有一定要求。而考慮到輸入和輸出電壓振蕩等其他瞬態(tài)事件，自保護(hù)功能對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的安全可靠運(yùn)行就顯得至關(guān)重要。
在電流限制（也稱為功率限制）模式下，輸出電流一旦增至約額定值的 130%，DC/DC 轉(zhuǎn)換器就會(huì)進(jìn)入電流限制模式，致使輸出電壓開始成比例下降，以保持恒定的耗散功率。
如果環(huán)境條件導(dǎo)致 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的溫度升至設(shè)計(jì)工作溫度以上，則精密溫度傳感器將關(guān)閉器件電源。一旦內(nèi)部溫度降至溫度傳感器閾值以下，DC/DC 轉(zhuǎn)換器就會(huì)自啟動(dòng)。
Murata 的 IRE-Q12 系列隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有自保護(hù)功能，可確保不會(huì)因較高的容性負(fù)載產(chǎn)生不利影響（圖 6）。例如，IRE-12/10-Q12PF-C 集成了所有相關(guān)的自保護(hù)功能，同時(shí)滿足 EN50155 要求，能在掉電和瞬態(tài)條件下促進(jìn)標(biāo)稱電池電壓的產(chǎn)生。
圖 6：IRE-Q12 系列轉(zhuǎn)換器通過(guò)大量測(cè)試，以確保能夠承受鐵路和工業(yè)應(yīng)用中常見的惡劣環(huán)境條件。（圖片來(lái)源：Murata）
IRE-Q12 系列轉(zhuǎn)換器采用標(biāo)準(zhǔn)八分之一磚封裝，在 9 V 至 36 V 的輸入電壓范圍內(nèi)提供 120 W 隔離輸出。另外，該器件還提供了兩個(gè)基板選項(xiàng)，一個(gè)可使電路板空間消耗最小，另一個(gè)是可方便機(jī)械固定到散熱器的帶槽法蘭。
這些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出可微調(diào) +/-10%，以確保瞬態(tài)階躍負(fù)載的快速建立時(shí)間。此外，所有轉(zhuǎn)換器都通過(guò)了測(cè)試，并指定了輸入反射紋波電流、輸入端子紋波電流和輸出噪聲。
獨(dú)立和陣列電源模式
Vicor 的 DCM2322 是隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器系列，可在 9 V 至 50 V 的非穩(wěn)壓直流輸入下工作，產(chǎn)生 28 V 的隔離輸出（圖 7）。它基于該公司的雙鉗位零電壓開關(guān) (DC-ZVS) 拓?fù)洌兄谠谡麄€(gè)輸入電壓范圍內(nèi)提供 93% 的高能效。
圖 7：DC-ZVS 拓?fù)涫?DCM2322 轉(zhuǎn)換器的能效高達(dá) 93%。（圖片來(lái)源：Vicor）
DCM2322T50T3160T60 等 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊 (DCM) 單元充分利用了 Vicor 的 ChiP 封裝技術(shù)在散熱和功率密度方面的優(yōu)勢(shì)，使內(nèi)部產(chǎn)生的熱量均勻分散至封裝表面。ChiP 技術(shù)還使 DCM 轉(zhuǎn)換器具有極低的上、下側(cè)熱阻抗，從而提供靈活的熱管理選項(xiàng)。
高效的熱分配使 DCM 單元能將各種非穩(wěn)壓電源連接至負(fù)載點(diǎn)。此外，還提供輸入和輸出過(guò)壓故障保護(hù)及其他故障處理機(jī)制，以便在檢測(cè)到故障時(shí)關(guān)閉轉(zhuǎn)換器（圖 8）。
圖 8：DCM 轉(zhuǎn)換器具有故障監(jiān)控處理能力，以及電流限制和軟啟動(dòng)控制等安全功能。（圖片來(lái)源：Vicor）
這些功能使 DCM 轉(zhuǎn)換器能夠以定義的標(biāo)稱負(fù)載線和溫度系數(shù)提供穩(wěn)壓輸出。如果轉(zhuǎn)換器內(nèi)部溫度超過(guò)限值，則會(huì)記錄為溫度故障，動(dòng)力系統(tǒng)就會(huì)立即停止轉(zhuǎn)換；直待內(nèi)部溫度回到給定閾值，轉(zhuǎn)換器才會(huì)重新啟動(dòng)。
此外，這些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器還提供集成式 EMI 濾波、嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)和次級(jí)基準(zhǔn)控制接口，同時(shí)保留了常規(guī)磚架構(gòu)的基本設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。
在數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)備等應(yīng)用中，功率要求超過(guò)單個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器可提供的功率，則可使用多個(gè)器件并聯(lián)。可在陣列模式下并聯(lián)多個(gè) DCM 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)負(fù)載均分實(shí)現(xiàn)更高的功率容量，即使這些器件的輸入電壓源不同。經(jīng)測(cè)試，Vicor 提供的合格陣列最多可包含八個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，容量高達(dá) 480 W。
總結(jié)
電源設(shè)計(jì)人員若想支持工業(yè)、醫(yī)療、運(yùn)輸和儀器儀表應(yīng)用的電子系統(tǒng)，就要考慮各種復(fù)雜性和相關(guān)成本，從對(duì)寬輸入電壓范圍的需求到熱管理和負(fù)載均分。不過(guò)，如本文所述，如今的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已發(fā)展成為封裝小巧、易于安裝的自足式電源，消除了許多復(fù)雜性。
盡管如此，尋求更高性能的設(shè)計(jì)人員還可以添加其他元器件。此外，如果需要更大的靈活性，可越來(lái)越多地使用遠(yuǎn)程和可編程功能來(lái)執(zhí)行阻抗補(bǔ)償和加強(qiáng)各種保護(hù)功能，以避免器件燒壞、響應(yīng)瞬態(tài)條件并降低系統(tǒng)總功耗。
拓展閱讀
Introduction to DC/DC converters
