使用带有嵌入式变压器的隔离式 DC－DC 转换器简化装配

作者：Steven Keeping

出于降低成本和节省空间之需，单片式 DC-DC 转换器成为许多大规模应用的绝佳之选，但它们不能用于要求电源输入与输出电隔离的设计。医疗设备就是一个很好的例子。通常情况下，可以使用板安装隔离式电源来替代，但这些电源需要依靠变压器来实现所需的电隔离，因而降低了能效，增加了方案成本、尺寸和重量。变压器还对 DC-DC 转换器的性能造成不稳定因素，并让大规模自动化装配变得困难。

为了解决上述诸多挑战，设计人员可以转而使用将变压器嵌入到转换器基底内的隔离式 DC-DC 转换器模块。

本文解释了哪些情况需要使用隔离式 DC-DC 转换器。然后介绍 Murata Electronics 示例解决方案，并展示如何使用它们来实现隔离，从而避免通常与变压器型隔离式 DC-DC 转换器相关的重大设计折衷。文章最后还介绍这种转换器的封装如何满足高水平、自动化表面贴装组装的需求，并展示如何将隔离式 DC-DC 转换器设计到产品中，实现最小的电压和电流纹波并降低电磁干扰 (EMI)。

何时使用隔离式转换器

在传统的 DC-DC 转换器中，单一稳压器电路允许电流直接从输入流向输出。这降低了复杂性、尺寸和成本。但是，有许多应用需要电隔离（以下简称“隔离”），因为设备的输入和输出侧需要实现电气隔离。例如，出于安全目的可能要求使用隔离式 DC-DC 转换器，即使用变压器（或在某些情况下使用耦合电感器）让输入和输出侧的电压和电流分开传输，特别是当输入侧连接的电压高到足以危及人身安全时。隔离式 DC-DC 转换器对于破坏接地回路也很有用，可以将电路中对噪声敏感的部分与噪声源分开（图 1）。

图 1：基本型非隔离式 DC-DC 转换器（上）与使用变压器进行电隔离的隔离式转换器（下）的比较。（图片来源：Digi-Key Electronics）

隔离式 DC-DC 转换器的另一个特性就是浮动输出。虽然这种转换器确实在输出端子之间提供了一个固定的电压，但相对于与它们隔离的电路的电压水平而言，它们其实没有一个确定或固定的电压（即它们是“浮动”的）。有一种选择是将隔离式 DC-DC 转换器的浮动输出连接到输出侧的一个电路节点上，以固定其电压，从而使得该输出实现相对于输出侧电路中另一个点的移动或反向。由于输入和输出电路是分开的，设计者必须确保两个电路都有各自的接地基准。

既定 DC-DC 转换器的规格书通常会列出其隔离电压，即在规定的（短）时间内，在没有电流越过间隙的情况下，可以施加的最大电压。此外，规格书还详细列出了在不破坏隔离的情况下可以连续承受的最大工作电压。

隔离确实带来了一些折衷。首先，隔离式转换器往往更昂贵，因为变压器（通常是定制的）比非隔离转换器中使用的等效电感器（现成的）更昂贵。所需隔离能力越高，成本就越高。

第二，隔离式 DC-DC 转换器往往比非隔离式转换器更大；变压器一般比等效电感器大，而且电感器往往工作在更高的开关频率下，与变压器相比，其尺寸可进一步减小。

第三，隔离式 DC-DC 转换器的能效、调节能力和元器件间的性能重复性往往不如非隔离式转换器。与电感器相比，变压器会造成能效损失，而且隔离栅会使输出无法直接被感应和紧密控制，因此无法实现更好的调节和瞬态性能。由于体积更小，非隔离式 DC-DC 转换器可以靠近负载放置，减少了输送线路的影响，进一步提升了能效。另外，由于隔离式转换器中的变压器通常是定制制造的，没有两个器件能提供完全相同的输出。

最后，变压器也会对高效的大规模装配过程造成妨碍。带变压器的隔离式 DC-DC 转换器的外形使之不适合自动装配，决定了它必须通过手工焊接到 PCB 上。

隔离式 DC-DC 转换器选择

如果设计者的应用出于安全或其他原因需要隔离，那么就必须考虑到前面所述的折衷。如果你花费更多时间对这些元器件进行研究，就可以发现一些较新的解决方案，设计这些方案的目的就是为了最大限度地减少设计折衷的影响。

例如，Murata 最近推出了其 NXE（图 2）和 NXJ2 系列隔离式 DC-DC 转换器。这些产品旨在解决隔离式 DC-DC 转换器所带来的一些传统挑战。

图 2：Murata 的 NXJ2 和 NXE（如图所示）隔离式 DC-DC 转换器在元件基底内嵌入了变压器，从而减小产品尺寸。（图片来源：Murata Electronics）

NXE 系列提供高至 2 瓦的功率，并提供 5 和12 V 输入和 5、12 和 15 V 输出选择。输入和输出电流随电压变化，范围从 5/5 V 产品的 542 毫安 (mA) 输入/ 400 mA 输出到 12/15 V 产品的 205/133 mA。该产品系列的开关频率为 100 至 130 千赫兹 (kHz)，具体取决于型号。

同样，NXJ2 系列也是一款 2 瓦的设计，具有 5、12 和 24 V 输入和 5、12 和 15 V 输出选择。输入和输出电流范围从 5/5 V 产品的 550 mA 输入/400 mA 输出到 24/15 V 产品的105/133 mA。其开关频率为 95 至 140 kHz。

Murata 隔离式 DC-DC 转换器通过将变压器嵌入到器件的基底中，解决了自动化制造的挑战。该变压器采用 FR4（即通常印刷电路板所使用的玻璃增强环氧树脂层压板）与铜交替叠层结构，形成一个围绕嵌入铁芯的绕组。据称，嵌入式变压器结构有助于散热，并提高了元器件间的性能重复性。

因此可以实现扁平（低于 4.5 mm）、紧凑（5 V 和 12 V 版本为 15.9 × 11.5 mm，24 V 版本为 16×14.5 mm）的封装，从而适合卷带包装，并能够被自动贴片机的真空喷嘴吸起（图 3）。

图 3：NXE 隔离式 DC-DC 转换器采用的紧凑封装可以通过卷带进给并由自动装配设备贴放到印刷电路板上。（图片来源：Murata Electronics）

与其他隔离式设计相比，嵌入式变压器设计可实现良好的电气性能。隔离式 DC-DC 转换器在满载工作时能效范围通常为 55% 至 85%。NXE 系列和 NXJ2 系列在 100% 负载下，5 V 输出的能效约为 72%，15 V 输出的能效上升到 76%，24 V 输出的能效为 78%。

隔离式 DC-DC 转换器一般缺乏非隔离式产品典型的精确调节能力，因为它们在输出和输入之间没有电反馈回路。对于 NXE 系列，电源调整率为 1.15%/%，负载调整率在 7% 至 11% 之间。NXJ2 的电源调整率对于 24 V 输入为 1 %/%，对于所有其他输入类型为 1.1 %/%。电压设定点的精度取决于输出负载电流和所选的 NXE 或 NXJ2 器件。例如，NXE2S1215MC 12 V 输入/15 V 输出方案在全输出负载电流下相对设定点的变化为 -2 至 -6%（图 4）。

图 4：隔离式 DC-DC 转换器缺乏非隔离式 DC-DC 转换器典型的精确调节能力。电压设定点的精度随输出负载电流而变化。此处示例展示了 Murata 的 12 V 输入/15 V 输出隔离式 DC-DC 转换器 NXE2S1215MC 在不同负载下相对设定点的输出电压精度。（图片来源：Murata Electronics）

了解规格

输入和输出的电气分离通常是一项法规要求，因此工程师必须清楚特定设计的法规要求。这可能有困难，因为信息可能很混乱。

例如，法规标准分别规定了元器件的隔离要求和终端产品的隔离要求——而每种要求却不一样。例如元器件规格表可能会说明该器件可以承受 2.5 至 5 千伏交流电的隔离测试电压，并且符合产品标准 IEC 60950-1。但对设计者来说，更重要的是隔离器的工作电压，例如 150 至 600 伏交流电，并且要符合元器件标准 IEC 60747-5-5。

还应注意描述隔离等级的术语。“基本”是单层隔离，“双重”是两层隔离；“增强”则是相当于双层的单层隔离。标准假定单层隔离可以发生一次故障，所以具有第二隔离层的产品仍然可以提供保护。重要的是，当一个元器件在元器件标准中被定义为 “基本”时，即被归类为安全保护不足。

元器件的隔离性能的另一个重要方面是其间隙和爬电距离。间隙是指两个元器件电路之间最窄空气距离，而爬电距离是指电流跨越表面的最短距离。

设计师确定隔离器性能的最佳方法是核实隔离器是否通过了 VDE 和 Underwriters Laboratory (UL) 认证，并从隔离器制造商处获得一份实际证书的副本。

在 NXE 和 NXJ2 系列中，FR4 为转换器初级和次级绕组提供了隔离屏障，每个元器件都在 3 千伏直流电压下进行了一秒钟的测试，并在 3 千伏直流电压下进行了一分钟的样品鉴定测试。在 1 千伏直流测试电压下测得绝缘电阻为 10 千兆欧 (GΩ)。

NXE 和 NXJ2 系列均通过 UL 认证，符合 ANSI/AAMI ES60601-1 标准，并在初级和次级线圈之间提供基于最大 250 V rms 工作电压的一重 MOOP（操作者保护措施）。UL 也确认这些 DC-DC 转换器符合 UL 60950 的增强隔离标准，工作电压为 125 V rms。这些器件的爬电距离为 2.5 mm，间隙为 2 mm。

降低输出纹波和 EMC

开关电压转换器总是面临着与开关元件所产生电压和电流纹波有关的设计挑战。隔离式 DC-DC 转换器也不例外。

在没有输出滤波电路的情况下，NXE DC-DC 转换器的典型输出纹波约为 55 毫伏 (mV) 峰-峰值 (p-p) ，最大 85 mVp-p。NXJ2 系列的对应数值是 70 mVp-p 和 170 mVp-p。虽然这些数值对于许多应用来说是可以接受的，但其他应用则要求更稳定的输出。

图 5 所示的输出滤波电路可以用来大幅降低输出电流和电压纹波。电感器 (L) 和电容器 (C) 的值因 DC-DC 转换器的输入和输出电压而异；举例来说，Murata 的 NXE2S1205MC（12 伏输入/5 伏输出）产品需要一个 22 微亨 (μH) 的电感器和一个 10 微法拉 (μF) 的电容器。输出滤波电路的作用是将输出电压和电流纹波降低到最大 5 mVp-p。

图 5：这种简单的采用适当 L 和 C 值的输出滤波电路可以将隔离式 DC-DC 转换器的输出电流和电压纹波降低一个数量级。（图片来源：Murata Electronics）

为了实现最佳效果，电容器的等效串联电阻 (ESR) 应尽可能低，额定电压至少应是隔离 DC-DC 转换器额定输出电压的两倍。对于电感器，其额定电流不应小于 DC-DC 转换器的输出电流。在额定电流下，电感器的直流电阻应使跨电感器的电压降小于 DC-DC 转换器额定电压的 2%。

如图 6 所示，可以在 NXE 和 NXJ2 系列中增加输入滤波电路来抑制 EMI。同样，L 和 C 的值仍取决于 DC-DC 转换器的输入和输出电压；举例来说，Murata 的NXE2S1215MC（12 伏输入/15 伏输出）产品应需要一个 22 μH 的电感器和一个 3.3 μF 的电容器。

图 6：这种简单的采用适当 L 和 C 值的输入滤波电路可以将隔离式 DC-DC 转换器的 EMI 辐射降低到 EN 55022 限值要求以下。（图片来源：Murata Electronics）

如图 7 所示，滤波的效果能够让 Murata 的隔离式 DC-DC 转换器符合 EN 55022 曲线B 准峰值 EMC 限值要求。有 EMI 辐射的设备必须低于这些限值才能满足欧盟的 2014 EMC 指令要求。 。

图 7：图 6 所示的输入滤波电路的效果是将隔离式 DC-DC 转换器（本例中为 NXE2S1215MC）的 EMI 辐射降低到欧盟 EMC 指令规定的限值以下。（图片来源：Murata Electronics）

有关 DC-DC 转换器的滤波电路设计的更多信息，请参见 Digi-Key 技术文章《电容器选择是良好稳压器设计的关键》。

结语

当法规或安全考量要求对输入和输出电压进行电气隔离时，隔离式 DC-DC 转换器发挥了重要作用。但是使用变压器进行隔离可能会带来设计上的折衷——尤其是成本、尺寸、性能变化性和装配上的挑战。

工程师需要意识到这些折衷，并在设计产品时进行相应的取舍。例如，隔离式 DC-DC 转换器通常缺乏反馈回路，无法实现非隔离式产品的精确调节，因此其输出电压相对与设定点随负载变化的程度可能比后者大。

如本文所述，有一些 DC-DC 解决方案没有使用昂贵而笨重的板安装变压器，而是使用 FR4 与铜的交替叠层结构来构建一个嵌入转换器基底的变压器。因此这种器件的成本更低、结构更紧凑，展示出更好的元器件间电气性能重复性，并可由自动贴片机拾取。这些隔离式 DC-DC 转换器还符合高压隔离和绝缘测试的相关标准。