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)別型號的隔離還達(dá)到了最高的醫(yī)療等級。

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)會選擇更易于處理的分立設(shè)計(jì)，但這會占用更多的電路板空間，并在設(shè)計(jì)、認(rèn)證、采購、庫存、運(yùn)輸、組裝和測試上帶來成本負(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)部芯片無論如何都有一個(gè)引線框架來與外部連接，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 級的開關(guān)頻率，超高的效率提供超過驚人的 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。由于芯片通過基板直接連接到用戶的 PCB，加上轉(zhuǎn)換器的效率超過 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 的小型化和自動化結(jié)構(gòu)帶來的好處 --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 版本皆無最低負(fù)載要求，適合輕負(fù)載待機(jī)模式;與許多競爭產(chǎn)品不同，它提供短路、過流和過熱的全面保護(hù)。

同時(shí)提供 2 x MOPP 醫(yī)療級隔離版本

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)格的另一款型號為R05CT05S 的轉(zhuǎn)換器，它提供醫(yī)療級的增強(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 來為低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 供電。該型號在醫(yī)療級應(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、過流和過溫保護(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何種價(jià)值?電子設(shè)備越來越常用在不同的醫(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 及其附屬文件和國家標(biāo)準(zhǔn)，以及歐洲的 EN 60601-1:2006和美國的 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)療等級的 AC/DC的需要。

我們先來復(fù)習(xí)術(shù)語和醫(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MOP。采用規(guī)定的爬電距離或電氣間隙可以是一級或兩級 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或兩級 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通過患者流到無故障設(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，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)換器來為連接患者的電路供電。如果它有合適的醫(yī)療級隔離，可以使僅有 1 x MOOP 的輸出對地隔離的 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 的安全等級必須針對「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的競爭產(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)最高等級患者連接的醫(yī)療電源示例

圖 5 說明的另一種情況是有未指定的信號輸入/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?；颊哌B接和信號之間必須有 2 x MOPP以防外部故障使信號帶電。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、具有未指定的系統(tǒng)信號輸入的I 類 AC/DC 電源。它還包括一個(gè) 2 x MOPP DC/DC 轉(zhuǎn)換器來為信號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」的AC/DC。AC/DC 本身可能有過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隔離的患者連接接口因此相對較小且成本較低。

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)換器一樣可以用來供電給隔離的患者連接接口電路。

結(jié)論

具有醫(yī)療級隔離認(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)?、熱管理?DPP®封裝技術(shù)，繼續(xù)推動公司產(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。