节省空间且易于使用：带隔离微型模块的无干扰电源

所有这些应用都有一个共同点：它们的电源电压与总线电压隔离。为什么要将电源与总线或开关元件电隔离？电流隔离可防止电源电压的瞬态干扰传播到总线并中断其运行。

高效微模块

作为隔离式 DC/DC 转换器，具有电流隔离功能的电源模块可为工业应用中的 ADC 提供可靠的电源。固定隔离微模块 (FIMM) 系列的隔离微模块 1769205132 使用 chiplet SiP 技术将尺寸减小了 80%，从而使模块尺寸为 9 × 7 × 3.1 mm。与标准 SMT-8 电源模块（9 × 7 mm 2对比 13.2 × 12.2 mm 2 ）相比，电路板空间要求减少了 50% 以上。

MagIC 电源模块 1769205132 基于全桥拓扑。该模块集成了开关功率级、控制电路、整流二极管、输入和输出电容器以及变压器（图 1）。由于没有从输出到输入的反馈路径，占空比固定为 50% 并且与负载无关。输出电压不受调节，由变压器匝数比决定。可提供 1 W 的输出功率，可达 T A = 100C 的环境温度，而无需任何输出电流降额。由于设计原因，原边和副边之间的寄生耦合电容的典型值为 8 pF。它的效率为 91%，是 Würth Elektronik 完整的隔离式电源模块产品组合中的“同类”产品。

图 1：FIMM 系列的隔离式微型模块 1769205132 的结构。它由半导体IC、整流二极管、输入和输出电容器以及变压器组成。

电隔离 DC/DC 转换器专门设计用于在分布式电源系统中实现电压隔离。FIMM 模块特别适用于对电源干扰敏感的应用，例如模拟低频电路和继电器控制电路。电路初级侧和次级侧之间的低寄生电容确保与高频干扰的高度去耦。此外，这种低寄生电容降低了共模干扰从初级开关侧传播到转换器次级侧的可能性。

提供敏感传感器

测量和数据采集等应用通常使用 ADC 构建，ADC 将模拟测量值（例如温度值或电流）转换为数字量。对于正负测量信号的采集，需要双电压电源。通常，在此类应用中使用 ±5 V 电源。

ADC 可以提供的分辨率，即它有效提供多少位，除其他因素外，还取决于电源电压的噪声分量。

图 2：使用去耦双电压电源的传感器应用示例（红板）

图 2 中应用中的红色电路板从 5 V 输入电压生成 ±5 V 的电隔离双电压。

该电路的特点是：

输出端的残余纹波非常低
输入和输出之间的宽带解耦

双电压电源大致由四个功能块组成（图 3）：

输入保护电路：保护电路集成了反接保护和瞬态电压保护功能。

输入滤波器：级滤波器用于衰减传导干扰电平。由 DC/DC 转换器的开关操作产生的谐波在电源方向上的振幅减小。另一方面，干扰可以通过电源到达电源模块，并被滤波器衰减。

电源（2 个 FIMM 模块）：电源模块转换电压并在输入和输出之间提供电流隔离。

输出滤波器：电源模块提供的电流是直流电流与交流分量的叠加。AC 分量是通过滤波器降低振幅的部分，以便为要提供的应用程序（例如 ADC）提供“干净”的 DC 电压。

图 3：去耦双电压电源（图 2 中的红色板）包括输入侧保护电路、输入侧滤波器、电源（2 个 FIMM 模块）和输出侧滤波器。

输入保护电路

输入侧的保护电路采用两级设计（图 3，左）。

二极管 D1 完成两项任务：它保护输入免受负瞬态干扰，并防止在反电压极性的情况下损坏电源模块的输入。在 0.3 A 和 0.3 V 的正向电压下，它将电压钳位到低于为电源模块指定的工作值的值。

二极管 D2 保护电路免受正电压瞬变的影响。在从阴极到阳极的 6 和 9 V 之间的正电压瞬变下，D2 导通。有效钳位电压通常为 5.7 V，因此处于电源模块的额定值范围内。

输入过滤器

电源模块以 300 kHz 的典型内部开关频率运行。上游电源的开关频率通常为 50 至 500 kHz。这导致滤波器组合在大约 100 kHz 时已经具有大约 50 至 75 dB 的衰减以滤除瞬态干扰。

C1、L1 和 C2 的组合形成一个 pi 滤波器结构。选择各个滤波器组件的值是为了提供从 100 kHz 开始大约 50 dB 的插入损耗。

图 4 显示了级滤波器的插入损耗曲线。在这里，可以清楚地看到，从 50 kHz 开始，可以实现大约 80 dB 的衰减。

图 4：在 RedExpert 中模拟的级滤波器的插入损耗图。在这里可以清楚地看到，从 50 kHz 开始，已经实现了大约 80 dB 的衰减。

可以使用 RedExpert 中的滤波器设计器进行计算/模拟。1该工具根据测量结果使用组件的真实属性进行计算。这样，模拟结果与真实组件的对应性更好。插入损耗的计算是在源阻抗和负载阻抗为 50 Ω 的情况下进行的。在实践中实现高插入损耗的关键是采用 RF 兼容设计，避免组件之间的耦合。

输出过滤器

由于其工作原理，DC/DC 转换器的输出电压不像线性稳压器那样提供纯直流电压。它是直流电压与叠加交流分量的组合。交流分量在数据表中指定为以 mV PP为单位的“输出电压纹波和噪声”值，表示输出电压的峰峰值幅度。ADC 电路在这里很敏感，因为它们只能在来自其电源的小干扰信号下以方式工作，该干扰信号必须低于 ADC 的分辨率。

右边图3所示的电路是一个滤波器，可以降低输出侧FIMM的干扰电压。线性双端口滤波器由耦合电感、绕组 L2a/L2b 以及电容器 C3 和 C4 构成。

绕组 L2a 将直流分量传导至负载（类似于“平滑扼流圈”），而交流分量则通过绕组 L2b 和电容器 C4 流向地面。电容器 C4 的阻抗行为使其将高频分量放电到地。

两个绕组之间的磁耦合，即由耦合系数 k 描述的负反馈电感，对于滤波器功能至关重要。

由于耦合电感的两个绕组的绕组方向，流过绕组 L2b 的电流的交流部分被转移到绕组 L2a。电流的 AC 部分然后叠加在 DC (AC) 电流上，由此 AC 部分在负载电流中被抵消，并通过磁耦合得到补偿并因此减少。

系数k用于表示两个线圈绕组之间的耦合，值为1表示两个绕组之间的耦合度为100%。由于电路设计类似于二阶滤波器，需要使用k值<0.99的耦合电感；否则，电路很容易进入串联谐振（陷波滤波器），并在谐振频率以上的频率范围内表现出较低的滤波效果。理想情况下，应使用小于 0.98 的 ak。这里使用的耦合电感器 WE-DD 744877220 的耦合系数约为 0.98。所使用的电容器必须具有尽可能低的 ESR 值，以达到所需的滤波效果。例如铝聚合物电容WCAP-PTHR 870055673002，在1kHz~50MHz频率范围内ESR值小于100mΩ，

测量表明，对于 +5V 支路的纹波电压，交流分量多可减少 50%（与未滤波值相关）。

FIMM布局推荐

必须注意 FIMM 模块有两个独立的接地连接：初级侧的引脚 1 和 2，次级侧的引脚 3 和 4。

从布局的角度来看，必须确保初级侧和次级侧彼此电容去耦。输入和输出电容器（C IN和 C OUT）必须分别尽可能靠近模块的输入和输出端子放置。这限度地减少了电流传导回路，限制了铜面积，在模块运行期间铜面积会经历较大的电流变化。在电源模块和输入滤波器之间插入距离可降低开关电路和LC 输入滤波器中的滤波电容器 C F的辐射耦合效应。实际上，大约 2.5 厘米的距离就足够了。有关布局的更多详细信息，请参见 FIMM 2的数据表在“设计示例”部分。可以从在线目录的“”部分 ALTIUM 布局推荐。

出处：翻译自powerelectronicsnews