以進階 DC/DC 轉換器，簡化工業、醫療與運輸電源系統的設計

隨著電子元件在工業、運輸與醫療應用領域中日益普及，輔助電源子系統的設計人員需確保子系統在實體及電氣條件嚴苛的環境中發揮高效能，並符合嚴格的法規與安全要求。同時，設計人員必須在不斷緊縮的預算與設計時程等限制之內完成任務。

隨著時間的推移，DC/DC 轉換器已發生重大變化，以符合上述要求。這些轉換器的尺寸更小，能提供更高的功率密度以利節省空間，且具備寬廣的輸入範圍，可精簡庫存與物料清單 (BOM)。為了使設計人員的工作更加輕鬆，其他增強功能包括低雜訊輸出、更嚴格的負載調節、強大的保護與安全特點，而且著重熱管理。但是，正如設計人員所預料，DC/DC 轉換器不盡相同，設計人員在選擇時需有加以鑑別，才能確保成功地設計與應用。

本文將介紹 Bellnix、HVM Technology、Murata Power Solutions、Vicor 與 XP Power 的 DC/DC 轉換器。這些小巧的產品可確保低漣波雜訊，同時支援單輸出與雙輸出電壓。本文也著重說明這些元件的基本和增強功能，以及這些功能如何協助設計人員提升功率調整能力、降低雜訊、確保實現自我保護，並提供更出色的熱管理。

DC/DC 轉換器的運作方式

顧名思義，DC/DC 轉換器是將一個 DC 電源的電壓用作輸入電壓，並轉換為其他 DC 電源的輸出電壓。輸出電壓可以比輸入電壓低 (降壓轉換器) 或高 (升壓轉換器)。DC/DC 轉換器分為隔離式與非隔離式。隔離式 DC/DC 轉換器使用變壓器來消除輸入與輸出之間的 DC 路徑 (圖 1)。

圖 1：如輸入與輸出階段之間的變壓器所示，此為 DC/DC 隔離式轉換器。(圖片來源：XP Power)

相對而言，非隔離式 DC/DC 轉換器在輸入與輸出之間具有 DC 路徑，通常在電壓變化較小時使用。

主要效能與設計考量

DC/DC 轉換器的主要效能特性包括：效率、電流額定值、漣波電壓、調節、暫態響應、電壓額定值、尺寸與重量。若想深入瞭解這些資訊，請參閱《DC/DC 轉換器介紹》(Introduction to DC/DC converters)。設計人員還需考量轉換器是否能支援各種標稱輸入電壓。假設轉換器還能夠提供預期負載所需的輸出電壓與電流額定值，則該元件即可支援許多應用，進而減少庫存與物流的負擔。

根據應用與電源性質，針對過電壓、欠壓、反轉極性、短路與過熱狀況等防護措施也非常重要。同樣，轉換器必須具有良好的電磁相容性 (EMC)，並且符合電磁干擾 (EMI) 規範。由於 DC/DC 轉換器中使用的開關電源會將雜訊直接引入負載，並可能產生 RF 雜訊，從而影響鄰近電路的穩定性與準確度，因此這一點尤其重要。

最後，設計人員應該根據該應用的設計與工作條件，仔細檢視轉換器的熱特性，以便視需要使用妥善的通風與其他熱管理技術。

DC/DC 轉換器越小越好

有些應用要求使用體型小巧的 DC/DC 轉換器，以節省空間和簡化安裝步驟。針對此類應用，Bellnix 精心設計出 OHV 系列 1.5 W 中高電壓 DC/DC 轉換器。相較開發時的可用模組，所需的安裝面積減少了將近 60%。其中一種範例元件 OHV12-1.0K1500P 為系統級封裝 (SiP) 元件，尺寸為 44 x 16 x 30 mm，1.5 mA 電流時輸出電壓為 1000 V 電壓 (圖 2)。Bellnix 的這個系列還針對漣波雜訊進行了精心設計，峰對峰值(_P-P) 可低至 5 mV。

圖 2：Bellnix 的超緊湊型 OHV12-1.0K500P 轉換器尺寸為 44 x 16 x 30 mm，1.5 mA 電流時輸出電壓為 1000 V。(圖片來源：Bellnix)

此系列的輸入電壓為 11 V 至 13 V，電流為 0.28 A。在此操作環境下，本系列可依照不同的型號輸出以下範圍的電壓值：0 至 +/- 1000 V (0 至 1.5 mA)、0 至 1500 V (0 至 1.0 mA) 和 0 至 2000 V (0 至 0.7 mA)。

如果高電壓電源供應器不穩定，將會產生雜訊並影響設備的準確度，因此對於儀器等應用而言，此轉換器的 5 mV _P-P 低漣波雜訊相當重要。Bellnix 已開發出自家的電路技術，可將雜訊降至最低，儘管是自足式元件 (不需要外部元件)，設計人員也可新增元件來進一步降低雜訊及輸入阻抗 (圖 3)。

圖 3：若要降低電源與轉換器間引線長度所導致的輸入阻抗，設計人員可在端子側加上電容 C1。若要進一步降低雜訊，可在負載兩端加上 C2。(圖片來源：Bellnix)

舉例來說，若要減少轉換器與電源供應器距離過長所造成的輸入阻抗，可在輸入端加上電容 C1。此電容應置於轉換器的端子側，以減少引線電感。若要降低雜訊，可在特別留意沿面距離與空間距離的情況下，在負載附近小心放置電容 C2，以便將輸入和輸出接線保持最短距離。

此系列所有元件都內建了短路與過電流保護措施，並使用五面金屬外殼來提高電源供應器的可靠性。此外殼採用了額外的屏蔽措施，可保護元件不受過熱與溫度的影響。OHV 系列可透過外部電壓或外部可變電阻，將輸出電壓控制在 0 V 至 2000 V 範圍內。

對於電池供電式裝置的設計人員而言，HVM Technology 的 nHV 系列能在尺寸 11.4 mm x 8.9 mm、高度 9.4 mm 的封裝中，提供 100 mW 的精準穩壓功率，電壓最高可達 1 kV。具體而言，從零負載到全負載的負載調節率小於 0.2% (典型值)。

nHV 系列採用 5 V 輸入電壓 (4.5 V ± 0.5 V)。根據型號而定，在 83 µA 下，輸出電壓介於 -1200 V (NHV0512N) 和 1200 V (NHV0512) 之間，1 mA 下則介於 -100 V (NHV0501N) 和 100 V (NHV0501) 之間。

本系列採用高阻抗值編程輸入 (100 kΩ)，不僅方便安裝裝置，也無需採用低阻抗值可調式電源電壓。輸出電壓獨立於輸入電壓，並且與編程電壓成比例，以確保出色的線性度。

寬廣的輸入範圍

如同 nHV 系列，XP Power 的 DTJ15 和 DTJ20 系列 15 W 與 20 W DC/DC 轉換器也採用小型封裝，這樣不僅容易安裝還能夠節能運作，但有一點不一樣：這些元件能安裝至機殼或 DIN 軌道，並透過螺絲端子連接 (圖 4)。

圖 4：DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 轉換器針對小尺寸進行最佳化，可使用 DIN 軌道輕鬆安裝，且輸入電壓範圍相當寬廣。(圖片來源：XP Power)

除了安裝方便外，這些電力轉換器的一個重要特性是能涵蓋寬廣的 DC 電壓輸入範圍：9 V 至 36 V 以及 18 V 至 75 V。這些轉換器可使用各式各樣的輸入來源 (包括多種標稱電池電壓與車輛電源)，因此適用於眾多工業、商業與通訊應用。

DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 控制器共有 14 種款式，其中單輸出元件可提供 3.3 V、5.0 V、12.0 V 和 15.0 V 輸出電壓，而雙輸出元件可提供 ±5.0 V、±12.0 V 和 ±15.0 V 輸出電壓 (圖 5)。

圖 5：DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 轉換器最顯著的特點是寬廣的輸入和輸出電壓範圍，後者總共推出了 14 種款式。圖片顯示 15 W 轉換器 DTJ15 的輸出。(圖片來源：XP Power)

遠端開／關讓 DC/DC 轉換器得以經由軟體控制，這不僅有助於控制整體功耗，還能讓遠端元件有效率地運作。

DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 轉換器另一個重要特點是軟啟動，可藉由調變內部誤差放大器參考電壓來調節輸出電壓。這會使輸出電壓近似於分段線性斜波，當電壓達到標稱輸出電壓時結束。DTJ15 和 DTJ20 系列控制器具備其他保護特點，包括短路保護與輸入反轉極性保護。

保護特點組合

鐵路、工業與運輸應用的電源系統設計中，暫態階躍負載的趨穩時間必須非常快速。輸入與輸出電壓產生振盪等其他暫態事件，讓自我保護特點顯得非常重要，因為自我保護可以使 DC/DC 轉換器安全可靠地運作。

電流限制 (又稱為功率限制) 方面，只要輸出電流增加到額定值大約 130%，DC/DC 轉換器會進入電流限制模式。為了保持一定的恆定功率耗散，輸出電壓會因此開始按比例降低。

如果環境條件導致 DC/DC 轉換器的溫度超出所設計的工作溫度，精準溫度感測器會將裝置斷電。一旦內部溫度降到溫度感測器的閾值以下，DC/DC 轉換器會自行啟動。

Murata 的 IRE-Q12 系列隔離式 DC/DC 轉換器具備自我保護特點，能防止因較高的電容負載而造成的不良影響 (圖 6)。舉例來說，IRE-12/10-Q12PF-C 結合所有相關的自我保護特點，同時符合 EN50155 要求，能在暫時低壓與暫態狀況中促進標稱電池電壓的產生。

圖 6：IRE-Q12 系列轉換器經過大量測試，確保該元件能承受鐵路與工業應用中常見的嚴苛環境條件。(圖片來源：Murata)

IRE-Q12 系列轉換器採用標準八分之一磚封裝與覆蓋區，當中提供 120 W 隔離輸出，輸入電壓範圍介於 9 V 至 36 V。該元件還提供兩個底板選項，一個是為了將使用的電路板空間減到最低，另一個是開槽凸緣，以便機械固定到散熱片上。

這些 DC/DC 轉換器的輸出可微調 +/-10%，確保暫態階躍負載的趨穩時間非常快速。此外，所有轉換器都經過測試，並指定輸入反射漣波電流、輸入端子漣波電流，與輸出雜訊。

獨立與陣列功率模式

Vicor 的 DCM2322 屬於隔離式 DC/DC 轉換器系列，可在 9 V 至 50 V 的未穩壓 DC 輸入下運作，以產生 28 V 隔離輸出 (圖 7)。此系列以該公司的雙鉗式零電壓切換 (DC-ZVS) 拓撲作為基礎，有助於在整個輸入電壓範圍內提供 93% 的高效率。

圖 7：DC-ZVS 拓撲可讓 DCM2322 轉換器的效率高達 93%。(圖片來源：Vicor)

DC/DC 轉換器模組 (DCM) 裝置，如 DCM2322T50T3160T60，善用了 Vicor ChiP 封裝技術的散熱與密度優勢，將內部產生的熱能平均散佈於封裝表面。ChiP 技術也讓 DCM 轉換器提供靈活的熱管理選項，在頂端和底部達到超低熱阻抗。

高效的熱散佈讓 DCM 元件能從各種未穩壓的電源連接到負載點。這些元件提供輸入與輸出過電壓故障保護以及其他故障處理機制，以便在偵測到故障時關閉轉換器 (圖 8)。

圖 8：DCM 轉換器提升了故障監測處理能力，以及包含電流限制與軟啟動控制在內的安全特點。(圖片來源：Vicor)

這些特點讓 DCM 轉換器能根據定義的標稱負載線及溫度係數，提供穩壓輸出。如果轉換器的內部溫度超出限制，則會記錄溫度故障，而傳動系統會立即停止切換。等到內部溫度返回指定的閾值，轉換器才會重新啟動。

此外，這些 DC/DC 轉換器提供整合式 EMI 濾波、嚴格的輸出電壓調節，以及次要參考控制介面，同時保留著傳統磚架構的基礎設計優點。

在資料中心與電信裝置等應用中，所需要的功率超出 DC/DC 轉換器獨力供應的量，因此可並聯使用多個元件。可在陣列模式中並聯多個 DCM 轉換器，透過負載分擔達到更高的功率容量，即使這些轉換器以不同的輸入電壓供應器運作亦然。Vicor 的合格陣列可包含高達八個 DC/DC 轉換器，具備 480 W 的容量。

結論

電源供應器的設計人員若想支援工業、醫療、運輸與儀器應用等電子系統，從寬廣的輸入電壓範圍需求到熱管理與負載分擔，以上問題衍生出的複雜性和相關成本都需要納入考量。但如本文所述，DC/DC 轉換器已逐漸演變成體型小巧、易於安裝、自給自足的電源供應器，徹底消除了許多複雜性。

然而，尋求更高效能表現的設計人員，仍可新增額外的元件。此外，當靈活性的需求更高時，也可越來越多地使用遠端及可編程特點，以執行阻抗補償並加強各種保護特點，從而防止燒毀、響應暫態狀況並降低整體系統功耗。

延伸閱讀

1. Introduction to DC/DC converters