先進(jìn)的3DPP?技術(shù)實(shí)現(xiàn)DC/DC小型化

3DPP®新技術(shù)讓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在進(jìn)一步小型化的同時(shí)提高功率密度，而性能并未因此受到影響。新產(chǎn)品具有更全面的控制和保護(hù)功能，個(gè)別型號(hào)的隔離還達(dá)到了最高的醫(yī)療等級(jí)。

在現(xiàn)代產(chǎn)品中 DC/DC 轉(zhuǎn)換與功率密度密切相關(guān)，需要在有限的空間內(nèi)提供足夠的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓電平轉(zhuǎn)換和隔離。這在物聯(lián)網(wǎng)世界和醫(yī)療設(shè)備的尖端產(chǎn)品中尤其明顯。 提高轉(zhuǎn)換器的效率水平確實(shí)有助于小型化，這使產(chǎn)品能夠從笨重的非板載模組發(fā)展為 PCB 板載元件。將轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)放在靠近負(fù)載的理想位置，因此這個(gè)位置必須精準(zhǔn)。

然而現(xiàn)有的板載產(chǎn)品很多依然采用的是上個(gè)世紀(jì)末流行的結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換器在很大程度上是包含內(nèi)部PCB、外殼、灌封和引腳的「迷你最終產(chǎn)品」。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)工藝中，如磁性組件所使用仍然是昂貴的手工組裝工藝。成品通常是通孔插件封裝，即便是有SMT封裝也有可能因?yàn)閲?yán)格的回流焊溫度控制而使其不容易受焊接到用戶的主板上。因此工程師有時(shí)會(huì)選擇更易于處理的分立設(shè)計(jì)，但這會(huì)占用更多的電路板空間，并在設(shè)計(jì)、認(rèn)證、采購(gòu)、庫(kù)存、運(yùn)輸、組裝和測(cè)試上帶來(lái)成本負(fù)擔(dān)。

因此用戶和轉(zhuǎn)換器制造商所期望的是能夠?qū)崿F(xiàn)與其他現(xiàn)代元件封裝一樣小的 SMT 形式的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的成本應(yīng)該要足夠低而且不需要特殊的散熱裝置或特殊回流焊溫度和過(guò)爐時(shí)間。如果實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員將不再考慮使用分立式的設(shè)計(jì)，就如他們不會(huì)考慮在A/D 轉(zhuǎn)換器使用分立晶體管一樣。

3D 電源封裝 — 從新維度思考

以前的DC/DC 設(shè)計(jì)人員可能會(huì)從設(shè)定占板面積開始，縮小內(nèi)部 PCB 然后盡可能塞入更多的分立組件。另一個(gè)新方法是一開始就從三維進(jìn)行思考，制造商 RECOM 稱之為3DPP® (3D 電源封裝®)。這個(gè)概念的前提是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)該使用全自動(dòng)制造技術(shù)生產(chǎn)，像其他元件一樣進(jìn)行預(yù)處理和置件。內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)充分利用空間維度并丟棄不必要的材料。例如，PCB 只是一個(gè)為了各元件間連接而占用空間的載體，那么為什么不干脆在封裝內(nèi)使用元件的自有支撐直接進(jìn)行連接呢?內(nèi)部芯片無(wú)論如何都有一個(gè)引線框架來(lái)與外部連接，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是極佳的例子，這是一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，4-36V 的寬輸入提供 0.8-30V 1A的可調(diào)輸出。該部件僅3 x 5 x 1.6mm，有 QFN 端接。內(nèi)部采用先進(jìn)的熱管理倒裝芯片技術(shù)，運(yùn)用 MHz 級(jí)的開關(guān)頻率，超高的效率提供超過(guò)驚人的 1kW/cm3 潛在功率密度。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1：RECOM RPX-1.0 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

RECOM的DC/DC系列使用更進(jìn)一步的3DPP 技術(shù)，例如，將芯片直接嵌入基板。這種技術(shù)釋放了其他組件原本占據(jù)的空間，使用特別的重布線層 (RDL) 的 IC 芯片，直接接觸 PCB 上的敷銅達(dá)到無(wú)焊連接，從而提高可靠性和熱性能。RECOM RPL-3.0 就是使用這個(gè)技術(shù)的例子，它是一個(gè) 3A 輸出開關(guān)穩(wěn)壓器，面積僅 3 平方毫米、1.45 毫米高。這種結(jié)構(gòu)(圖 2)不需要再次包覆因?yàn)楸旧砭秃軋?jiān)固，節(jié)省了成本和空間。由于芯片通過(guò)基板直接連接到用戶的 PCB，加上轉(zhuǎn)換器的效率超過(guò) 95% 因此熱性能也十分出色。

圖 2：RECOM RPL-3.0 DC/DC的芯片嵌入基板結(jié)構(gòu)

DC/DC 的小型化和自動(dòng)化結(jié)構(gòu)帶來(lái)的好處 --更短的熱路徑可以有效提高散熱效率降低芯片溫度;更短的電氣連接，讓電氣回路保持封閉和緊湊環(huán)路，從而降低 EMI。再加上 MHz 級(jí)別的開關(guān)頻率可以有利于降低輸入和輸出電容容值，進(jìn)一步減小尺寸。

DC/DC 開始采用 SOIC-16 封裝

另一個(gè)3DPP 的例子是一個(gè)更像IC 的隔離轉(zhuǎn)換器。新的 RECOM RxxCTExxS 系列采用SOIC-16(寬)封裝，占板面積10.3mm x 7.7mm，高度僅 2.65mm ，非常適合空間受限的應(yīng)用。與前面的例子不同，該產(chǎn)品(圖 3)具有電氣隔離功能。內(nèi)部控制 IC 和專用的平面變壓器采用框架式電氣連接，延伸至外部形成鷗翼式的引腳。

圖 3：RECOM RxxCTExxS DC/DC 轉(zhuǎn)換器采用 SOIC-16 封裝，額定功率高達(dá) 1W

隨著尺寸縮小，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的隔離是否可靠是一個(gè)存在已久的問(wèn)題。所有的安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證要求轉(zhuǎn)換器內(nèi)部和外部(引腳)有最低程度的安全絕緣間距(爬電距離和電氣間隙)，而RxxCTExxS 的優(yōu)勢(shì)在于外部鷗翼式引腳的安全絕緣間距(爬電距離和電氣間隙)大于8 mm。極具成本效益的全新 RxxCTExxS 系列提供 3kVDC/1 分鐘隔離，符合 IEC/UL/EN 62368-1 基本隔離要求，因此它可作為產(chǎn)品的安全隔離系統(tǒng)的一部分。在小尺寸的內(nèi)部空間中，傳統(tǒng)的環(huán)形變壓器無(wú)法滿足絕緣要求，而有骨架或類似結(jié)構(gòu)的分立式變壓器的 E 型磁芯又會(huì)太大，因此將開關(guān)頻率提高至 30MHz能夠大幅降低繞組匝數(shù)和平面變壓器磁芯的尺寸，同時(shí)結(jié)合固體繞組間絕緣來(lái)滿足隔離要求。

另外，還有兩款低成本穩(wěn)壓型5V 轉(zhuǎn)5V 轉(zhuǎn)換器，輸出功率0.5W 和 1W。在實(shí)際應(yīng)用中可為數(shù)據(jù)接口提供 5V 隔離供電或極性反轉(zhuǎn)(圖 4)。它們涵蓋的市場(chǎng)范圍很廣，包括物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)、醫(yī)療、智能計(jì)量，以及需要可靠且堅(jiān)固部件的應(yīng)用上。雖然尺寸小巧，但隔離電容卻低至7pF，在醫(yī)療應(yīng)用中很有價(jià)值，也可為功率開關(guān)管的上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源，適應(yīng)其非常高的 dV/dt 應(yīng)用環(huán)境。EMI輻射性能也特別好。

圖 4：RECOM RxxCTExxS DC/DC 轉(zhuǎn)換器為隔離數(shù)據(jù)接口供電

0.5W 和 1W 版本皆無(wú)最低負(fù)載要求，適合輕負(fù)載待機(jī)模式;與許多競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品不同，它提供短路、過(guò)流和過(guò)熱的全面保護(hù)。

同時(shí)提供 2 x MOPP 醫(yī)療級(jí)隔離版本

上述的 RxxCTExxS DC/DC 轉(zhuǎn)換器屬于RECOM「Econoline系列」，它們的功能和性能特別適合成本敏感的應(yīng)用。此外還有更高規(guī)格的另一款型號(hào)為R05CT05S 的轉(zhuǎn)換器，它提供醫(yī)療級(jí)的增強(qiáng)隔離同時(shí)保持成本效益。R05CT05S 采用相同的 SOIC-16 封裝，額定功率為 0.5W，標(biāo)稱輸入 5V。輸出可設(shè)置為 3.3V 或 5V，或者 3.7V 或 5.4V 來(lái)為低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 供電。該型號(hào)在醫(yī)療級(jí)應(yīng)用中的亮點(diǎn)是 2 x MOPP(患者保護(hù))，5kVAC/1MIN增強(qiáng)型隔離符合 IEC/EN 60601-1。它的耦合電容僅 3.5pF在 250VAC/50Hz 應(yīng)用中的漏電流基本上可以忽略不計(jì)。在非醫(yī)療環(huán)境中它的規(guī)格更是出色，在 800VAC 工作電壓下提供增強(qiáng)隔離符合 IEC/EN/UL 62368-1標(biāo)準(zhǔn)。最高工作溫度可高達(dá) 140°C(降額)，具備使能、同步和輸出微調(diào)功能以及欠壓鎖定、短路、過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)功能。

RECOM R05CT05S DC/DC轉(zhuǎn)換器的醫(yī)療應(yīng)用

值得注意的是R05CT05S 等的DC/DC 轉(zhuǎn)換器是如何應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域以及它們可以帶來(lái)何種價(jià)值?電子設(shè)備越來(lái)越常用在不同的醫(yī)療和家庭保健環(huán)境，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可能對(duì)必須遵守的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)熟悉，IEC 60601-1:2005 及其附屬文件和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以及歐洲的 EN 60601-1:2006和美國(guó)的 ANSI/AAMI ES-60601-1。這些標(biāo)準(zhǔn)著重在防止高壓電擊或交流電源漏電，而且一般認(rèn)為只有 AC/DC 轉(zhuǎn)換器才跟這些法規(guī)有關(guān)。然而DC/DC 通常是安全隔離系統(tǒng)的一部分，如果設(shè)定正確其實(shí)可以免去使用最高醫(yī)療等級(jí)的 AC/DC的需要。

我們先來(lái)復(fù)習(xí)術(shù)語(yǔ)和醫(yī)療安全的要求：標(biāo)準(zhǔn)中提到了操作員和患者環(huán)境的「保護(hù)措施」(MOP)。MOP 可以是不同的形式;有一個(gè)接地的金屬外殼和電源保險(xiǎn)絲提供一級(jí)MOP。采用規(guī)定的爬電距離或電氣間隙可以是一級(jí)或兩級(jí) MOP，取決于實(shí)際的間隔距離。相同地，固體材料可以提供一級(jí)或兩級(jí) MOP。在所有的情況下，所需的距離取決于其他因素，例如系統(tǒng)電壓、過(guò)電壓類別、環(huán)境污染程度和海拔高度?；颊弑Ｗo(hù) (MOPP) 的要求比操作員 (MOOP) 的要求更為嚴(yán)格。

以交流供電設(shè)備為例，交流線路與輸出之間必須至少有 2 x MOOP 或 2 x MOPP，差別在于「操作員」還是「患者」的環(huán)境。然而連接患者的輸出也必須至少有 1 x MOPP 的輸出到地隔離，以避免患者因?yàn)槠渌脑O(shè)備故障而發(fā)生導(dǎo)電，然后致命電流可能會(huì)通過(guò)患者流到無(wú)故障設(shè)備的接地端。許多 AC/DC 轉(zhuǎn)換器不提供這種從輸出到接地的隔離等級(jí)，或最多只有 1 x MOOP。在這種情況下，可以使用一個(gè)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)為連接患者的電路供電。如果它有合適的醫(yī)療級(jí)隔離，可以使僅有 1 x MOOP 的輸出對(duì)地隔離的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器用在患者環(huán)境(圖 5)。與 1 x MOPP 接地的 AC/DC 相比，具有更常見的 1 x MOOP 的 AC/DC 加上低成本醫(yī)療 DC/DC的組合是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。雖然 DC/DC 通常只有低電壓輸入和輸出，但在這個(gè)應(yīng)用中，MOP 的安全等級(jí)必須針對(duì)「系統(tǒng)」電壓，通常為 250VAC。選擇時(shí)必須小心謹(jǐn)慎，因?yàn)橐恍?biāo)榜2 x MOPP的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品僅適合低系統(tǒng)電壓，比如 30VAC，而這在應(yīng)用中幾乎沒有價(jià)值。

圖 5：使用經(jīng)濟(jì)的部件實(shí)現(xiàn)最高等級(jí)患者連接的醫(yī)療電源示例

圖 5 說(shuō)明的另一種情況是有未指定的信號(hào)輸入/輸出連接(SIPP 和/或 SOPP)，例如連接到交流或電池供電設(shè)備的通信端口。患者連接和信號(hào)之間必須有 2 x MOPP以防外部故障使信號(hào)帶電。同樣地，外加一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以提供所需的隔離。圖 5 是一個(gè)2 x MOOP 醫(yī)療級(jí)、具有未指定的系統(tǒng)信號(hào)輸入的I 類 AC/DC 電源。它還包括一個(gè) 2 x MOPP DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)為信號(hào)輸入提供必要的隔離，并允許在連接患者情況下使用成本更低的「操作員隔離等級(jí)」的AC/DC。AC/DC 本身可能有過(guò)高的漏電流不符合患者連接的要求，但 DC/DC 的低隔離電容能將其降到易于接受的最大值。DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常只需要提供低功率給信號(hào)隔離的患者連接接口因此相對(duì)較小且成本較低。

電池供電設(shè)備也歸在同一類，必須在患者連接輸出以及任何可能連接的未指定設(shè)備之間有2 x MOPP 隔離，例如電池充電器或USB線連接的打印機(jī)。2 x MOPP DC/DC 轉(zhuǎn)換器一樣可以用來(lái)供電給隔離的患者連接接口電路。

結(jié)論

具有醫(yī)療級(jí)隔離認(rèn)證的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以是實(shí)現(xiàn)敏感應(yīng)用所需的隔離等級(jí)的寶貴工具，例如最嚴(yán)格的心臟起博 (CF)和患者連接。RECOM R05CT05S 可以應(yīng)用于這些敏感應(yīng)用，在不影響安全性的情況下盡可能的降低成本。RECOM 在最新產(chǎn)品中不斷使用一些先進(jìn)的電路拓?fù)洹峁芾砗?DPP®封裝技術(shù)，繼續(xù)推動(dòng)公司產(chǎn)品(AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器)朝著更加小型化、更高效和更具成本效益的方向發(fā)展。