隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器——穩(wěn)壓與非穩(wěn)壓

低功率隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器尺寸小巧，適用于通信設(shè)備、儀器儀表和工業(yè)電子領(lǐng)域，可以為對(duì)空間要求嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景提供理想的解決方案。RECOM 提供廣泛的 1W 和 2W 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供您選擇。本文將介紹這些器件的一些具體應(yīng)用。

非穩(wěn)壓與穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器

RECOM 提供穩(wěn)壓與非穩(wěn)壓隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。選擇哪種取決于具體應(yīng)用。如果電源電壓穩(wěn)定并且負(fù)載保持相對(duì)恒定，則非常適合采用非穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這是因?yàn)榉欠€(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也能提供電壓電平轉(zhuǎn)換、電流隔離和短路保護(hù)（/P 型號(hào)），同時(shí)成本比穩(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器要低得多。

相反，如果電源電壓或負(fù)載不穩(wěn)定，則需要采用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器，穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可以在輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)將輸出電壓保持在所需的值。如果輸入電壓發(fā)生變化（例如由電池供電）或負(fù)載可變（包括空載條件），則穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將保持固定的輸出電壓。

在一些低功率設(shè)計(jì)中，半穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器可提供最佳折中方案。半穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器是一種在變壓器的次級(jí)側(cè)采用低壓差 (LDO) 線(xiàn)性穩(wěn)壓器的非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器，無(wú)論負(fù)載條件如何，都可將輸出保持在所需的值。這種解決方案具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：如果負(fù)載突然移除，輸出電壓將保持穩(wěn)定，并且轉(zhuǎn)換器將繼續(xù)受到短路保護(hù)。但由于額外增加了穩(wěn)壓級(jí)，與非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器相比，總體效率會(huì)有所降低而且成本會(huì)有所增加。

下列列出了此類(lèi)多功能器件的一些應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)具體應(yīng)用，可搭配使用穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器。

柵極驅(qū)動(dòng)器電源

隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于高壓逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器中。例如，光伏 (PV) 太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生高壓直流輸出，可通過(guò)高壓三相逆變器將該輸出轉(zhuǎn)換為交流輸出。直流電壓可能高達(dá) 1000 V 或更高，逆變器模塊與地之間的懸浮電壓通常可達(dá)幾百伏；因此，無(wú)論出于功能考慮還是安全起見(jiàn)，都需要進(jìn)行隔離。

盡管可以使用光耦合器來(lái)隔離控制信號(hào)，但仍需采用隔離式 DC/DC 驅(qū)動(dòng)器作為隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源。RECOM 提供一系列隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊，為 IGBT、SiC MOSFET 或GaN HEMT 功率器件提供簡(jiǎn)單的電源解決方案。

RECOM 最佳 DC/DC 轉(zhuǎn)換器系列因電源開(kāi)關(guān)技術(shù)而異，可分為以下幾類(lèi)：

IGBT 功率器件: RECOM 的 RH、RV、RP、RGZ、RKZ、RxxPxx 和 RxxP2xx 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供 +15 V 和 -9 V 的不對(duì)稱(chēng)輸出電壓，非常適合僅使用單個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器為 IGBT 驅(qū)動(dòng)器供電的應(yīng)用。

SiC MOSFET: RxxP22005D和 RKZ-xx2005D 系列提供 +20 V 和 -5 V 的不對(duì)稱(chēng)輸出電壓，可高效且有效地開(kāi)關(guān) SiC MOSFET。RxxP21503D 系列提供 +15 和 -3 V 的不對(duì)稱(chēng)輸出電壓，可高效開(kāi)關(guān)第二代 SiC MOSFET。

GaN HEMT: 采用 RECOM 的 RP-xx06S 和RxxP06S 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（具有高隔離電壓和低隔離電容）供電時(shí)，高壓擺率 GaN 晶體管驅(qū)動(dòng)器可在 +6 V 電壓下實(shí)現(xiàn)最佳開(kāi)關(guān)性能。此外，在必須考慮較高噪聲和干擾的 GaN 應(yīng)用中，RECOM 還提供具有+9 V 輸出電壓的轉(zhuǎn)換器，該輸出電壓可以用齊納二極管分為 +6 V 和 -3 V，以在關(guān)斷時(shí)提供負(fù)柵極電壓，確保柵極電壓始終低于導(dǎo)通閾值。

工業(yè)應(yīng)用中的隔離串行鏈路

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，用于描述工業(yè)應(yīng)用中的串行總線(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電子傳感器和執(zhí)行器相互連接，并將它們連接到多個(gè)主設(shè)備，如 PLC 或工業(yè) PC?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通常跨越較長(zhǎng)的距離，并且通常包括差分雙絞線(xiàn)連接等功能，以實(shí)現(xiàn)具有高可靠性的高速數(shù)據(jù)通信。在總線(xiàn)和每個(gè)系統(tǒng)連接之間，務(wù)必要實(shí)現(xiàn)信號(hào)與電源隔離，以防在電纜網(wǎng)絡(luò)與所連接的系統(tǒng)之間出現(xiàn)瞬態(tài)過(guò)電壓。此外，隔離不僅能夠消除網(wǎng)絡(luò)中的接地回路，減少信號(hào)失真和誤差，還可以防止出現(xiàn)電壓/接地失配。

例如，控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線(xiàn)最初是為汽車(chē)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，但其穩(wěn)健的協(xié)議已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用。該協(xié)議指定電纜最長(zhǎng)為 40 米，節(jié)點(diǎn)最多為 30 個(gè)。其他現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了類(lèi)似的 DC/DC 要求，包括 Modbus、Profibus 和 Interbus 等。

舉例來(lái)說(shuō)，RECOM 的RxxCT(E)xx 系列穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器即為適合為隔離式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口供電的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其標(biāo)稱(chēng)輸入電壓為 5V，在輸出為 5 V 或 3.3 V時(shí)可提供 0.5 W 或 1 W 功率—并且采用 SMD-16 封裝。此外，該器件可實(shí)現(xiàn) 5 kVAC 增強(qiáng)隔離。

IIOT傳感和控制應(yīng)用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIOT) 為工廠設(shè)計(jì)師解鎖了一些新功能。IIOT 中互連傳感器數(shù)量龐大，可支持用戶(hù)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行大量改進(jìn)，包括執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)、基于狀態(tài)的設(shè)備監(jiān)測(cè) (CBM) 和對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字建模。工廠電力基礎(chǔ)設(shè)施性能不佳，具有接地回路、電壓浪涌和高水平電氣噪聲，這種設(shè)計(jì)并不適用于靈敏型傳感器和微控制器。因此，在工廠環(huán)境中需要使用隔離電源。然而，許多傳感器或數(shù)據(jù)采集電路的功耗極低，因此 1 W 或 2 W 轉(zhuǎn)換器通常就足以滿(mǎn)足需求。

IIOT 應(yīng)用還包括一些控制元件。圖 1 顯示了適用于工業(yè) PLC 或分布式控制系統(tǒng) (DCS) 中控制輸出模塊的隔離數(shù)模轉(zhuǎn)換 (DAC) 電路。

DAC 需要由單個(gè) +5 V 電源供電，但輸出緩沖器需要 +/-12 V 電源來(lái)提供雙向輸出電壓范圍。隔離式 +/-12 V 電源可由 R1DX-0512/H 提供，這是一款性?xún)r(jià)比高、外形小巧、采用開(kāi)放式框架的 1 W SMD 隔離式雙輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。R-78E-0.5 開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器從 +12 V 供電軌向 DAC 提供+5 V 電壓。

R1DX 系列的工作電壓為 5 V，并提供 ±5、±9、±12 和 ±15 雙輸出。輸出電壓可以為典型的有源傳感器和用于數(shù)據(jù)分析的微控制器或 DSP 前端供電。

醫(yī)療應(yīng)用

醫(yī)療應(yīng)用在醫(yī)院和非醫(yī)院環(huán)境中都要遵守嚴(yán)格的監(jiān)管要求，必須將患者和操作者的安全放在首位。在醫(yī)療設(shè)備中，通常需要使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器可以采用源自電池或交流電的直流輸入，并將電壓轉(zhuǎn)換為電路所需的電壓或?yàn)閭鞲衅鞯韧庠O(shè)供電所需的電壓。在大多數(shù)情況下，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓較低，如 5 V 或 12 V，同時(shí)輸出電壓也較低，如 +/-5 V 或 3.3 V。從功能上來(lái)講，并非總是需要隔離，但可以應(yīng)用隔離來(lái)斷開(kāi)接地回路、幫助控制傳感器之間的串?dāng)_、減少電磁干擾 (EMI) 或從正電源產(chǎn)生負(fù)電壓軌。相反，即使從功能角度不需要實(shí)現(xiàn)隔離，出于安全原因，仍可能需要實(shí)現(xiàn)隔離，即使輸入和輸出電壓很低并且完全處于規(guī)定的“安全”電壓范圍內(nèi)也是如此。

RECOM 可提供許多輸出功率更高的醫(yī)療級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器；然而，RECOM 已推出輸出功率為 1 W、采用緊湊型 SIP7 封裝的醫(yī)療級(jí)非穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 REM1，擴(kuò)展了產(chǎn)品的功率范圍。REM1 具有 5.2 kVDC/min 的增強(qiáng)隔離和 2MOPP*/250 VAC 工作電壓。REM1 可提供 3.3、5、12、15 或 24 V 輸入， 3.3、5 或 12V 輸出，效率高達(dá) 85%。工作溫度范圍為 -40°C 至 +90°C。此外，如果配備簡(jiǎn)單的外部 LC 濾波器，該轉(zhuǎn)換器可達(dá)到 EMC B 級(jí)水平并符合 60601-1-2（第四版）醫(yī)療 EMC 標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，該轉(zhuǎn)換器完全符合 CB、IEC/EN 和 ANSI/AAMI 60601（第三版）、RoHS2+ (10/10) 和 REACH 安全標(biāo)準(zhǔn)，并提供五年保修。

2MOPP = 雙重患者保護(hù)

分布式電源架構(gòu)(DPA)系統(tǒng)

DPA 系統(tǒng)通常用于高功率負(fù)載與低功率控制設(shè)備相結(jié)合的工業(yè)控制中。AC/DC 電源通常提供 24 V 或48 V 的系統(tǒng)總線(xiàn)電壓，為電機(jī)、泵和類(lèi)似的電氣設(shè)備供電。

然而，控制器、邏輯電路和其他電子設(shè)備需要由 3.3 V、5 V、12 V 或 15 V 低電壓供電。低功率隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可提供 3.3 V、5 V、12 V、15 V、+/-12 V、+/-15 V 及類(lèi)似電壓。對(duì)于采用機(jī)架設(shè)計(jì)的應(yīng)用，DC/DC 轉(zhuǎn)換器是位于負(fù)載點(diǎn) (PoL) 的設(shè)備，放置在需要使用它們供電的負(fù)載旁。這可以最大限度降低轉(zhuǎn)換器和器件之間的壓降，并可以降低拾取噪聲導(dǎo)致信號(hào)衰減的可能性。

RECOM 提供可用于多種用途的低功率DC/DC 轉(zhuǎn)換器，低功率隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已廣泛應(yīng)用于許多具有各種專(zhuān)業(yè)要求的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中。RECOM 針對(duì)這些用途對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，提供一系列穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器。