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DC/DC轉(zhuǎn)換器的隔離

發(fā)布時(shí)間:2022-01-21 責(zé)任編輯:wenwei

【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)的隔離以及在常見的低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。


盡管輸入輸出沒有隔離的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。 


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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,最常用的類型如下:


●    功能 - 輸出是隔離的,但沒有電擊的保護(hù)

●    基本- 只要屏障完好無損,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型應(yīng)用至實(shí)際的變壓器呢? 


功能隔離


以功能隔離來說,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。 


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圖2:具有功能隔離的環(huán)形鐵芯變壓器


功能隔離轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用于非隔離關(guān)鍵系統(tǒng),隔離主要用于斷開接地回路,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)換器來提供隔離總線電源的評(píng)估板[1]。 


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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,僅用漆包線來達(dá)到基本隔離等級(jí)是不夠的。基本絕緣等級(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,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。 


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圖4:基本隔離線軸型變壓器


以緊湊型DC/DC轉(zhuǎn)換器來說,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。 


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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)氧樹脂的塑料模中。安裝好蓋子之后,次級(jí)繞組通過中間的孔纏繞在整個(gè)結(jié)構(gòu)上(圖6)。絕緣性能并非來自于變壓器的線包漆,而是來自于塑料模和環(huán)氧樹脂。生產(chǎn)過程要確保環(huán)氧樹脂和蓋子的質(zhì)量和厚度滿足指定系統(tǒng)電壓下最低基本絕緣的要求。 


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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,每個(gè)屏障等同于一層基本隔離等級(jí)(圖7)。 


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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。 


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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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