使用含嵌入式變壓器的隔離式 DC-DC 轉換器簡化組裝作業

為了追求成本與空間的縮減，單晶片 DC-DC 轉換器對許多高產量應用來說是很好的解決方案，但無法用於需要將電源輸入與輸出進行電氣隔離的設計。醫療裝置就是一個很好的例子。通常可使用板式安裝電源代替，但需要變壓器來達到必要的電氣隔離，因此會降低解決方案的效率，並且增加成本、尺寸與重量。此變壓器還會帶來 DC-DC 轉換器效能的變動性，讓高產量自動化組裝作業更加困難。

為了因應諸多挑戰，設計人員可轉用隔離式 DC-DC 轉換器模組，其轉換器基板有內嵌變壓器。

本文會說明需要使用隔離式 DC-DC 轉換器的情況。接著會介紹來自 Murata Electronics 的解決方案範例，說明如何用該方案達到隔離，卻不像變壓器架構隔離式 DC-DC 轉換器一樣，要在設計上有重大取捨。本文也會說明轉換器的封裝如何符合高階自動化表面黏著組裝作業的需求，並且說明如何在最低電壓與電流漣波以及降低電磁干擾 (EMI) 的情況下，將隔離式 DC-DC 轉換器導入產品設計。

使用隔離式轉換器的時機

在傳統的 DC-DC 轉換器中，單一穩壓器電路能讓電流直接從輸入端到輸出端。如此即可縮減複雜性、尺寸和價格。但有許多應用需要電流隔離 (自此簡稱為「隔離」)，讓裝置的輸入和輸出達到電氣隔絕。舉例來說，安全規定可能會要求使用隔離式 DC-DC 轉換器，即使用變壓器 (或在某些情況下使用耦合電感) 橫跨輸入與輸出測之間的間隔來輸送電壓與電流，尤其是在輸入側連接到足以危及人類的高電壓時。隔離式 DC-DC 轉換器也相當適合用來斷開接地迴路，藉此將對雜訊敏感的電路部分與雜訊來源隔絕 (圖 1)。

圖 1：基本的非隔離式 DC-DC 轉換器 (頂端) 與使用電壓器達到電流隔離的隔離款式 (底部) 相比。(圖片來源：DigiKey)

隔離式 DC-DC 轉換器的另一個特點是浮動輸出。雖然此類轉換器確實可在輸出端子之間提供固定電壓，對照與其隔離的電路中電壓位準，卻沒有相對的指定或固定電壓 (即呈現「浮動」狀態)。也可以選擇將隔離式 DC-DC 轉換器的浮動輸出連接到輸出側的電路節點，以將電壓固定，即可讓輸出相對於輸出側電路的另一點進行變動或反轉。由於輸入和輸出電路的分隔，設計人員必須確保兩個電路都有其接地參考。

指定 DC-DC 轉換器的規格表通常會列出其隔離電壓，即可持續施加一段指定 (短暫) 時間，卻不會發生電流跨接的最大電壓。此外，規格書也會詳細說明可持續耐受卻不會導致隔離崩解的最大工作電壓。

隔離確實需進行一些取捨。首先，隔離式轉換器往往更昂貴，因為變壓器 (通常是客製化) 比起非隔離款式用的等效電感 (現成) 更加昂貴。需要的隔離越大，成本越高。

其次，隔離式 DC-DC 轉換器通常比非隔離款式更大；變壓器一般也比等效的電感更大，而且電感通常會以更高的切換頻率工作，因此比起變壓器，可進一步縮減尺寸。

第三，隔離式 DC-DC 轉換器的元件對元件效率、調節性和效能重現性，往往低於非隔離轉換器。與電感相比，變壓器會有效率低落的問題，隔離屏障可避免輸出直接受感測與嚴密控制，以便達到更優異的調節與暫態效能。由於非隔離 DC-DC 轉換器體積較小，因此可以放置在靠近負載的位置，藉此降低傳輸線效應並進一步推升效率。此外，隔離式轉換器中的變壓器通常是客製化裝置，因此沒有其他變壓器會有相同的輸出。

最後，變壓器也可能會阻礙高產量組裝流程的效率。含有變壓器的隔離式 DC-DC 轉換器，礙於其外型輪廓，不適合自動化組裝，因此只能手動添加到 PCB。

挑選隔離式 DC-DC 轉換器

如果設計人員的應用基於安全或其他原因而需要隔離，則必須將前述的取捨納入考量。經過詳盡的元件研究，可發現一些較新的解決方案，其設計可將設計折衷的影響降至最低。

例如，Murata 最近推出 NXE (圖2) 和 NXJ2 系列隔離式 DC-DC 轉換器。這些產品的設計都是為了因應隔離式 DC-DC 轉換器所面臨的一些既有難題。

圖 2：Murata 的 NXJ2 和 NXE (如圖) 隔離式 DC-DC 轉換器含有一個內嵌在元件基板中的變壓器，藉此縮減產品尺寸。(圖片來源： Murata Electronics)

NXE 系列提供高達 2 W，並提供 5 V 和 12 V 的輸入選項，以及 5 V、12 V和 15 V 的輸出選項。輸入和輸出電流會隨電壓而變化，但 5/5 V 產品提供 542 mA 輸入／400 mA 輸出，而 12/15 V 產品則提供 205 mA 輸入／133 mA 輸出。此產品系列的切換頻率介於 100 至 130 kHz，視型號而定。

NXJ2 系列同樣採用 2 W 設計，提供 5 V 和 24 V 的輸入選項，以及 5 V、12 V和 15 V 的輸出選項。5/5 V 產品的輸入和輸出電流為 550 mA 輸入／400 mA 輸出，而 24/15 V 產品則提供 105 mA 輸入／133 mA 輸出。產品的切換頻率介於 95 至 140 kHz。

Murata 的隔離式 DC-DC 轉換器將變壓器內嵌在裝置基板中，藉此因應自動化製造的難題。變壓器由 FR4 的交替層 (玻璃強化環氧樹脂層壓板通常當作印刷電路板的基底) 和銅層組成，繞著嵌入式磁芯建構繞組。嵌入式變壓器的結構據稱有助於散熱和提高元件之間的效能重現性。

如此即可達到薄型 (不到 4.5 mm)、緊湊 (5/12 V 款式為 15.9 x 11.5 mm，24 V 款式為 16 x 14.5 mm) 的封裝，非常適合捲帶裝，並可由自動化置放機台的真空管嘴拾取 (圖 3)。

圖 3：NXE 隔離式 DC-DC 轉換器採用緊湊封裝，能由自動化組裝設備以捲帶方式進行饋入並放置在 PC 板上。(圖片來源：Murata Electronics)

此嵌入式變壓器的設計比起其他隔離式設計，可提供良好的電氣效能。隔離式 DC-DC 轉換器通常可在滿載情況下以 55% 至 85% 的效率工作。NXE 系列和 NXJ2 系列在 100% 負載、5 V 輸出下的效率約為 72%，若輸出 15 V 時，效率提升至 76%，輸出 24 V 時效率為 78%。

隔離式 DC-DC 轉換器通常缺乏非隔離產品常見的精密調節功能，因為其在輸出與輸入之間並沒有電氣回授迴路。對於 NXE 系列，線路調節為 1.15%/%，負載調節介於 7% 至 11% 之間。至於 NXJ2，在 24 V 輸入下，線路調節典型值為 1%/%，其他所有輸入類型下的典型值為 1.1%/%。電壓設定點的準確性取決於輸出負載電流和選定的 NXE 或 NXJ2 元件。舉例而言，NXE2S1215MC 的 12 V 輸入／15 V 輸出解決方案，在輸出電流滿載下與設定點的差異為 -2% 至 -6% (圖 4)。

圖 4：隔離式 DC-DC 轉換器缺乏非隔離式 DC-DC 轉換器常見的精密調節。電壓設定點的準確度隨輸出負載電流而異。此範例顯示，Murata 的 12 V 輸入／15 V 輸出隔離式 DC-DC 轉換器 NXE2S1215MC，在不同負載下的輸出電壓準確度與設定點的差異。(圖片來源：Murata Electronics)

瞭解規格

輸入與輸出的電氣分離通常是法規要求，因此工程師必須明確瞭解法規對特定設計的要求。這其實不容易，因為資訊可能令人混亂。

例如，法定標準分別規定元件所需的隔離，以及最終產品所需的隔離，且兩者的隔離並不相同。如此一來，舉例來說，元件的規格表可能表示裝置可耐受 2.5 至 5 kVAC 的隔離測試電壓，因此符合 IEC 60950-1 產品標準，但對設計人員來說，更重要的是隔離器的工作電壓為 150 至 600 VAC (舉例)，因此符合元件標準 IEC 60747-5-5。

應謹慎挑選用來說明隔離等級的用字。「基本」是指單層隔離，「雙重」則指兩層隔離；「增強」則指等同雙重隔離的單一絕緣系統。標準假定一層絕緣層中可能發生單次故障，因此具有第二層絕緣層的產品仍可提供防護。重要的是，當元件在元件標準中界定為「基本」時，即歸類為安全防護不足。

元件隔離效能的另一個重要層面是間隙和沿面距離。間隙是指兩個元件電路之間只隔空氣的最短距離，而沿面距離是指跨越表面的最短距離。

有個最好的方法能讓設計人員確保隔離器的效能，就是確認隔離器通過 VDE 和 UL 認證，並從隔離器製造商取得實際證書的影本。

以 NXE 和 NXJ2 系列為例，其 FR4 在轉換器的初級繞組和二次繞組之間具有絕緣屏障，且每個元件皆在 3 kVDC 下測試達一秒鐘，樣本的認證測試則在 3 kVDC 下測試達一分鐘。絕緣電阻在 1 kVDC 的測試電壓下測得 10 GΩ。

NXE 和 NXJ2 系列通過 UL 認可，符合 ANSI/AAMI ES60601-1 標準，並且依據 250 Vrms 最大工作電壓，在初級與二次線圈之間提供一種操作人員防護措施 (1 x MOOP)。UL 也可鑑定 DC-DC 轉換器是否可在 125 Vrms 工作電壓下符合 UL 60950 的強化絕緣標準裝置的沿面距離為 2.5 mm，間隙為 2 mm。

降低輸出漣波和 EMC

切換式電壓轉換器始終面臨著切換元件產生電壓及電流漣波所帶來的設計難題。隔離式 DC-DC 轉換器也不例外。

如果沒有輸出濾波器電路，NXE DC-DC 轉換器的典型輸出漣波約為 55 mV 峰值對峰值 (p-p)，最高為 85 mVp-p。NXJ2 系列對應的值為 70 mVp-p 和 170 mVp-p。雖然這些數值對許多應用來說可接受，但其他應用則要更穩定的輸出。

圖 5 所示的輸出濾波器電路可用來顯著降低輸出電流和電壓漣波。電感 (L) 和電容 (C) 的值會隨著 DC-DC 轉換器的輸入和輸出電壓而異；但以 Murata 的 NXE2S2S1205MC (12 V 輸入／5 V 輸出) 產品為例，則需要 22 μH 的電感和 10 μF 的電容。輸出濾波器電路的作用是將輸出電壓和電流紋波降低至最大 5 mVp-p。

圖 5：這個具有適當 L 和 C 值的簡易型輸出濾波器電路可將隔離式 DC-DC 轉換器的輸出電流和電壓漣波降低一個數量級。(圖片來源：Murata Electronics)

為了達到最佳效果，電容的等效串聯電阻 (ESR) 應盡可能降低，額定電壓至少應為隔離式 DC-DC 轉換器額定輸出電壓的兩倍。電感的額定電流不應小於 DC-DC 轉換器的輸出電流。在額定電流下，電感的 DC 電阻值應可讓電感上的壓降小於 DC-DC 轉換器額定電壓的 2%。

可將輸入濾波器電路添加到 NXE 和 NXJ2 系列中以抑制 EMI，如圖 6 所示。同樣地，L 和 C 的值會隨著 DC-DC 轉換器的輸入和輸出電壓而異；但以 Murata 的 NXE2S1215MC (12 V 輸入／15 V 輸出) 產品為例，則需要 22 μH 的電感和 3.3 μF 的電容。

圖 6：這個具有適當 L 和 C 值的簡易型輸入濾波器電路可將隔離式 DC-DC 轉換器的 EMI 輻射降低至 EN 55022 規定的限值以下。(圖片來源：Murata Electronics)

如圖 7 所示，濾波效果能讓 Murata 的隔離式 DC-DC 轉換器符合 EN 55022 曲線 B 準峰值 EMC 限制。EMI 輻射裝置必須改善限值，以符合歐盟的 2014 年 EMC 指令。

圖 7：圖 6 所示的輸入濾波器電路，其作用是將隔離式 DC-DC 轉換器 (本例中為 NXE2S1215MC) 的 EMI 輻射降低至低於歐盟 EMC 指令所規定的限值以下。(圖片來源：Murata Electronics)

若要進一步瞭解 DC-DC 轉換器的濾波器電路設計，請參閱 DigiKey 的技術文章《電容選擇是優良電壓穩壓器設計的關鍵》。

結論

若基於法規或安全考量而要對輸入與輸出電壓進行電氣隔離，隔離式 DC-DC 轉換器可扮演關鍵的角色。但是，使用變壓器進行隔離則要在設計上有所取捨，尤其是會在成本、尺寸、效能變動與組裝層面上遇到難題。

工程師需要瞭解這些折衷，並依此設計產品。例如，隔離式 DC-DC 轉換器通常缺乏能讓非隔離式產品達到精密調節的回授迴路，因此比起後續元件，輸出電壓會隨著負載而更遠離設定點。

如圖所示，有些 DC-DC 解決方案不使用昂貴且笨重的板式安裝變壓器，而是使用 FR4 的交替層和銅層來打造嵌入在轉換器基板中的變壓器。如此即可產生平價且小型的裝置，可展現更優異的元件對元件電氣效能重現性，並可用自動化置放機械進行處理。這些隔離式 DC-DC 轉換器也符合高電壓隔離與絕緣測試的相關標準。