新型隔离 DC/DC 拓扑可最大程度提高可靠性,同时降低成本和供应链中断风险

传统行业转型关键:实现最佳平衡、灵活性和自动化。探索传统行业主要产品如何发展,以提高效率、减少错误并适应不同的产品发展规划。

1. 摘要

目前已开发出许多不同的 DC/DC 转换器拓扑,且每种拓扑都独一无二。然而,实现低功耗设计过程中,很少有新颖的结构能打破传统且久经考验的拓扑结构与现代解决方案之间的壁垒。

在本白皮书中,我们将回顾一个行业中的传统主力产品如何改进,以在尺寸、重量、功率和成本指标之间实现更优平衡,同时通过支持多种输入电压范围、输出隔离和稳压选项来实现灵活的产品路线图。采用更适合自动化制造过程的拓扑结构有益的一点在于,可以帮助减少制造过程中的人为错误。

2. 引言

任何隔离型 DC/DC 转换器的核心都是变压器。变压器仅在交流电下工作,因此所有 DC/DC 转换器实际上都是直流到交流:交流到直流转换器(图 1)。

最简单的 DC/AC 转换器是自由运行振荡器,可在隔离变压器初级绕组上产生方波。最简单的AC/DC 转换器就是二极管和电容器电路,用于整流并平滑变压器次级输出为直流输出电压。


图 1:隔离型 DC/DC 转换器框图
最简单的 DC/DC 转换器电路是自振荡 Royer 拓扑——一种非稳压推挽转换器(图 2):
除变压器外,该电路只有八个低成本元件:两个晶体管、两个电阻器、两个二极管和两个电容器。晶体管 TR1 和 TR2 通过两个反馈绕组 T1af 和 T1bf 交替导通和关断,次级绕组输出经过二极管 D1 和 D2 整流后,再由输出电容器 C2 进行平滑处理。有关 Royer 拓扑的完整分析,请参阅DC/DC 知识手册

Royer 拓扑 DC/DC 转换器具有许多优势:BoM 成本低、体积小(低至 <0.5cm3))且隔离电压高(最高可达 4 kVDC/1 s)。通过添加额外的电容器并反向连接 D2,可轻松实现双极性 (+/-) 输出,因此这种转换器非常适合为双轨运算放大器,模数转换器或双极传感器电路供电。主要缺点是输出未经调节,但是在电源电压稳定、负载范围为 10 到 100% 的情况下,输出电压通常在 ±10% 以内,这对于注重成本效益的设计来说是一个可以接受的数字。

对于需要低功率、电气隔离电源的应用,这是市场上最受欢迎的 DC/DC 转换器解决方案。


图 2:Royer 拓扑

3. 最低成本壁垒

尽管 Royer 转换器取得了成功,市场仍在推动其进一步降低成本。主要的固定成本在于变压器结构(见图 3)。

这些线圈通常手工缠绕在环形铁氧体磁芯上,尺寸极小(外径 6 mm,内径 3 mm),这对传统的变压器绕线机来说太小了。


图 3:典型的手绕微型变压器
随着产量增加,环形变压器(铁芯、绕线)的材料成本会随之下降,但每个变压器的组装时间保持不变。这会产生最低制造成本——即使产量达到数百万也是如此(见图 4):
鉴于 BoM 数量已经如此之低,进一步降低元器件成本的机会有限。大部分组装工作都是手工完成(绕制变压器、将变压器线端焊接到 PCB 上),若将组装工作交给劳动力成本低廉的国家可以进一步降低成本,但作为一个负责任的雇主,RECOM 非常重视操作人员的经验和技能,坚持支付公平合理的工资。

解决方案是进行范式转变,转向更适合全自动制造的不同拓扑结构和变压器设计。


图 4:制造成本与数量

4. 下一代 DC/DC 转换器

变压器要工作,初级绕组和次级绕组至少需要各绕一圈。实际上还需要更多匝数,具体取决于输入和输出电压,以及分开中心抽头的初级和次级线圈。对于 Royer 拓扑,需要两个额外的反馈绕组。这种对六个不同绕组的要求使得 Royer 拓扑变压器非常耗费劳动力。

竞争对手使用的一种替代方案是使用带过孔的多层 PCB 来绕铁氧体磁芯制作绕组,从而使……

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