在现代产品中 DC/DC 转换与功率密度密切相关,需要在有限的空间内提供足够的功率来实现电压电平转换和隔离。这在物联网世界和医疗设备的尖端产品中尤其明显。提高转换器的效率水平确实有助于小型化,这使产品能够从笨重的非板载模组发展为 PCB 板载元件。将转换和调节放在靠近负载的理想位置,因此这个位置必须精准。
然而现有的板载产品很多依然采用的是上个世纪末流行的结构与电路设计。转换器在很大程度上是包含内部PCB、外壳、灌封和引脚的「迷你最终产品」。内部的结构工艺中,如磁性组件所使用仍然是昂贵的手工组装工艺。成品通常是通孔插件封装,即便是有SMT封装也有可能因为严格的回流焊温度控制而使其不容易受焊接到用户的主板上。因此工程师有时会选择更易于处理的分立设计,但这会占用更多的电路板空间,并在设计、认证、采购、库存、运输、组装和测试上带来成本负担。
因此用户和转换器制造商所期望的是能够实现与其他现代元件封装一样小的 SMT 形式的 DC/DC 转换器。转换器的成本应该要足够低而且不需要特殊的散热装置或特殊回流焊温度和过炉时间。如果实现了这一点,设计人员将不再考虑使用分立式的设计,就如他们不会考虑在A/D 转换器使用分立晶体管一样。
3D 电源封装 — 从新维度思考
以前的DC/DC 设计人员可能会从设定占板面积开始,缩小内部 PCB 然后尽可能塞入更多的分立组件。另一个新方法是一开始就从三维进行思考,制造商 RECOM 称之为「3DPP」(3D Power Packaging) 。这个概念的前提是 DC/DC 转换器应该使用全自动制造技术生产,像其他元件一样进行预处理和置件。内部构造设计充分利用空间维度并丢弃不必要的材料。
例如,PCB 只是一个为了各元件间连接而占用空间的载体,那么为什么不干脆在封装内使用元件的自有支撑直接进行连接呢?内部芯片无论如何都有一个引线框架来与外部连接,因此其他元件可以直接放在上面,不再有 PCB的需求。RECOM RPX-1.0是极佳的例子,这是一个
开关稳压器 ,4-36V 的宽输入提供 0.8-30V 1A的可调输出。该部件仅3 x 5 x 1.6mm,有 QFN 端接。内部采用先进的热管理倒装芯片技术,运用 MHz 级的开关频率,超高的效率提供超过惊人的 1kW/cm3 潜在功率密度。内部结构如图 1 所示。
图 1:RECOM RPX-1.0 DC/DC 转换器的内部结构
另外,还有两款低成本稳压型5V 转5V 转换器,输出功率0.5W 和 1W。在实际应用中可为数据接口提供 5V 隔离供电或极性反转
(图 4)。
图 4:RECOM RxxCTExxS DC/DC 转换器为隔离数据接口供电
它们涵盖的市场范围很广,包括物联网、工业、医疗、智能计量,以及需要可靠且坚固部件的应用上。虽然尺寸小巧,但隔离电容却低至7pF,在医疗应用中很有价值,也可为功率开关管的上桥臂栅极驱动器提供电源,适应其非常高的 dV/dt 应用环境。EMI辐射性能也特别好。
0.5W 和 1W 版本皆无最低负载要求,适合轻负载待机模式;与许多竞争产品不同,它提供短路、过流和过热的全面保护。
同时提供 2 x MOPP 医疗级隔离版本
上述的 RxxCTExxS DC/DC 转换器属于RECOM「Econoline系列」,它们的功能和性能特别适合成本敏感的应用。此外还有更高规格的另一款型号为R05CT05S 的转换器,它提供医疗级的增强隔离同时保持成本效益。R05CT05S 采用相同的 SOIC-16 封装,额定功率为 0.5W,标称输入 5V。输出可设置为 3.3V 或 5V,或者 3.7V 或 5.4V 来为低压差稳压器 (LDO) 供电。该型号在医疗级应用中的亮点是 2 x MOPP(患者保护),5kVAC/1MIN增强型隔离符合 IEC/EN 60601-1。它的耦合电容仅 3.5pF在 250VAC/50Hz 应用中的漏电流基本上可以忽略不计。在非医疗环境中它的规格更是出色,在 800VAC 工作电压下提供增强隔离符合 IEC/EN/UL 62368-1标准。最高工作温度可高达 140°C(降额),具备使能、同步和输出微调功能以及欠压锁定、短路、过流和过温保护功能。
RECOM R05CT05S DC/DC转换器的医疗应用
值得注意的是R05CT05S 等的DC/DC 转换器是如何应用在医疗领域以及它们可以带来何种价值?电子设备越来越常用在不同的医疗和家庭保健环境,产品设计人员可能对必须遵守的电气安全标准相当熟悉,IEC 60601-1:2005 及其附属文件和国家标准,以及欧洲的 EN 60601-1:2006和美国的 ANSI/AAMI ES-60601-1。这些标准着重在防止高压电击或交流电源漏电,而且一般认为只有 AC/DC 转换器才跟这些法规有关。然而DC/DC 通常是安全隔离系统的一部分,如果设定正确其实可以免去使用最高医疗等级的 AC/DC的需要。
我们先来复习术语和医疗安全的要求:标准中提到了操作员和患者环境的「保护措施」(MOP)。MOP 可以是不同的形式;有一个接地的金属外壳和电源保险丝提供一级MOP。采用规定的爬电距离或电气间隙可以是一级或两级 MOP,取决于实际的间隔距离。相同地,固体材料可以提供一级或两级 MOP。在所有的情况下,所需的距离取决于其他因素,例如系统电压、过电压类别、环境污染程度和海拔高度。患者保护 (MOPP) 的要求比操作员 (MOOP) 的要求更为严格。
结论
具有医疗级隔离认证的 DC/DC 转换器可以是实现敏感应用所需的隔离等级的宝贵工具,例如最严格的心脏起博 (CF)和患者连接。RECOM R05CT05S 可以应用于这些敏感应用,在不影响安全性的情况下尽可能的降低成本。RECOM 在最新产品中不断使用一些先进的电路拓扑、热管理和3DPP封装技术,继续推动公司产品(AC/DC、DC/DC转换器)朝着更加小型化、更高效和更具成本效益的方向发展。