(文章來源:貿(mào)澤電子)
當(dāng)Allesandro Volta用銅和鋅盤以及浸有鹽水的紙板制成電池時,當(dāng)時只是一個新奇的產(chǎn)品,而這種低功率直流電(DC)實際應(yīng)用卻很少。隨著對于電力有了更深入的理解,人們發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁鐵可以在電線中感應(yīng)出交流電流(AC),隨之而來就打開了發(fā)電的世界。 交流電適用于照明、加熱和驅(qū)動電機,并且通過使用變壓器,其電壓可以升高和降低。
后來DC開始得到一些應(yīng)用。與AC不同的是,DC的電荷可以存儲在電池或電容器中。例如,曾經(jīng)用這些儲存的電荷為第一部電話供電,后來的電話設(shè)計才可以通過線路獲取電力。如果您想要特定的直流電壓,可以將電池串聯(lián)起來。如果您確實需要高功率直流電,可以在其間使用具備機械傳動裝置的直流電動機-發(fā)電機組,從而可以產(chǎn)生不同的電壓。
隨著新電子產(chǎn)品的不斷出現(xiàn),需要不同的直流電平,例如真空管的150V,工程師們也開始考慮如何能夠上下轉(zhuǎn)換直流電壓,DC-DC轉(zhuǎn)換器的概念由此誕生。當(dāng)今的DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用分為不同類別:隔離式和非隔離式,升壓和降壓型或兼而有之的升降壓型。市場也可提供具備特定功率水平和功能的模塊,其中許多已成為一般“商用”部件。
讓我們首先定義“隔離”的含義:如果在輸入和輸出之間存在電氣連接(通常是接地),則該部件是非隔離式。隔離部件有一個內(nèi)部變壓器,在輸入和輸出之間以磁性方式傳遞能量,因此輸出可以相對于輸入“浮動”。我們稍后會考慮隔離等級。還有其他種類的穩(wěn)壓器,如可以產(chǎn)生負輸出電壓(降壓升壓)和可以產(chǎn)生高于或低于正輸入電壓輸出的“SEPIC”電路。這在電池供電應(yīng)用中非常有用,其中的負載電壓在電池放電時需要保持恒定。
模塊化升壓轉(zhuǎn)換器不太常見,這里的一個例子是來自GE Critical Power的ABXS002A3X41-SRZ,它能夠?qū)?~16V輸入轉(zhuǎn)換為16~34V輸出,輸出電流為2.3A,模塊尺寸為27.9 x 11.4mm。
非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器通常被稱為“負載點(PoL)”轉(zhuǎn)換器,因為它們可以直接用于處理器或FPGA的典型負載上,以便使負載電壓盡可能精確。最復(fù)雜的類型具有數(shù)字控制等許多特性,因此性能可以“運行中(on the fly)”調(diào)整,以適應(yīng)負載條件變化,通??墒褂脴藴蕝f(xié)議(如PMBusTM)的I2C線路進行設(shè)置。電壓穩(wěn)壓器模塊(VRM)是一種能夠滿足IC制造商特定要求的特殊類型PoL,例如來自Intel的類似產(chǎn)品。
由于各種不同的原因,可能都需要隔離。通??梢苑奖愕貙⑤斎牒洼敵鼋拥胤珠_,以便使電流路徑分離,而不會相互作用。一個常見的應(yīng)用是為RS485接口供電電路,用于驅(qū)動器的隔離電源軌能夠阻止在主機接地和連接設(shè)備之間的電流流動。
具有“浮動”輸出還能使負載接地點連接到任意一個DC-DC輸出終端,例如,通過將正輸出連接到地,可以將浮動12V配置為-12V。同樣,12V可以“疊加(stacked)”在另一個電壓上,比如輸入12V,以提供24伏的總電壓,這可能對小型電機驅(qū)動很有用。通過變壓器的功率耦合也可以提供一定程度的抗EMI性能,特別是針對本地接地線上產(chǎn)生的共模噪聲。
進行隔離的一個重要原因通常是安全需要。您可能認為,如果一個DC-DC轉(zhuǎn)換器有較低的輸入和輸出電壓,安全不是問題。然而,DC-DC中的隔離層通常被用作更廣泛隔離系統(tǒng)的一部分,以實現(xiàn)整體安全額定值。一個極端的例子是醫(yī)療市場的“病人連接”應(yīng)用,在這種應(yīng)用中,DC-DC轉(zhuǎn)換器必須針對最高系統(tǒng)電壓(可能為230VAC)具備完全的醫(yī)療級額定隔離。其中的原因是,與患者相連的其他設(shè)備可能因為這種施加的危險電壓而失效。DC-DC可以使危險的電流通過“未指定的連接路徑”流回原設(shè)備,因此它必須具有高等級的隔離。
在適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)電壓下,能夠適合這種醫(yī)療應(yīng)用規(guī)范的DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)該注明具有兩個 “患者保護措施(MOPPS)”,如來自Traco Power的THM 30WI 系列。
許多DC-DC轉(zhuǎn)換器的宣傳資料把一個隔離額定值簡單地叫做一個電壓值,例如3kVDC,用戶應(yīng)特別小心,因為這只是工廠的“測試”電壓,雖然這是一個衡量隔離堅固性的指標,除非特定的安全機構(gòu)將其隔離等級限定為“基本”、“加強”或醫(yī)療“保護措施”等級別,否則不應(yīng)將DC-DC轉(zhuǎn)換器用于安全隔離系統(tǒng)。即使引用了“EN60950加強型”等標準,也必須指定系統(tǒng)電壓,30VAC系統(tǒng)電壓時的加強型如果用在230VAC系統(tǒng)中作為安全屏障將毫無價值。
隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器有多種形式,最簡單的低功率型通常沒有調(diào)節(jié),只是“比例式”轉(zhuǎn)換器,即輸出隨輸入成比例變化。這些部件成本低,可用于為接口或模擬電路提供“點(spot)”電壓。不過,由于它們的空載輸出電壓可能遠高于額定值,因此通常具有最低負載要求。這些部件在額定負載下效率很高,但在輕載時效率要低很多,甚至可能低于50%。經(jīng)過精心設(shè)計,這些類型DC-DC轉(zhuǎn)換器可以提供高性能和良好的機構(gòu)額定隔離值,如Murata 公司的2W表面貼裝NXJ2系列。
具有主動調(diào)節(jié)功能的DC-DC轉(zhuǎn)換器可以承受輸入和負載的變化,同時保持嚴格的輸出電壓調(diào)節(jié)。2:1的輸入變化曾經(jīng)是一個標準,如18-36V,但現(xiàn)在的元器件可用于更廣泛的5:1輸入,甚至更大,如來自BEL Power的CM1901-9RG,該產(chǎn)品適用于具有極端輸入下降和浪涌的電源軌應(yīng)用。
(責(zé)任編輯:fqj)
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