使用板安裝轉換器以滿足隔離式與非隔離式 AC/DC 及 DC/DC 電源需求

現代的電力分配安排通常要精密結合隔離式與非隔離式 AC/DC 及 DC/DC 電源轉換器。隔離式轉換器主要是在發生單一或多重故障時提供系統和使用者保護；同時也可供電給隔離式子系統，以維持訊號完整性。

原則上，您可隨時使用精密 IC 搭配不同架構，在多種效能取捨下，設計專屬的低至中等電源轉換器 (最高約 1000 W)。然而，開發和驗證這些轉換器的實際情況卻是另一回事。至少要符合一組基本的功能性效能要求，包括輸出電壓和電流額定值、效率、暫態響應、實體尺寸，以及對線路、負載和供電故障的保護。

設計難題並非只在基本層面而已。更有多項法規要求，會涵蓋安全、不同負載程度下的效率、關機效能、熱效能，以及電磁干擾 (EMI) 排放與敏感性等事項。這些屬性必須由通過認證的測試實驗室進行驗證，因此會大幅延長設計時程。簡單的自己動手做 (DIY) 選項很快就會顯得太冒險，就會迅速發現自製或外購的決策會明顯偏向購買。

如果您仍然不確定，別忘了轉換器還得要納入電流隔離。雖然幾乎所有 AC/DC 轉換器都需要此功能，但有些 DC/DC 轉換器也同樣需要。這個需求帶動了新的法規、安全和認證要求，進一步讓自製或外購的決策傾向於外購，無論供應規模大小。

好消息是，板安裝的隔離式與非隔離式電源轉換器，可提供多種電壓及電流額定值。因此能在國防、通訊、測試與量測 (隔離式) 以及活動機器人 (非隔離式) 應用中，大幅簡化產品的設計與部署，並可組合使用以利配電。

因為是現成元件，可放置在主印刷電路板 (PCB) 上，且位置可依據配電軌的需求進行最佳化。此外，不需要獨立的支撐件或支架。簡而言之，能以封閉式、完整且隨時可用的解決方案提供電源功用。

隔離基礎

電流絕緣是一種電氣屏障，可避免訊號或電源路徑的兩側之間形成導電 (歐姆) 連接。然而，這種隔離仍須允許能量和功率透過其他傳輸方式穿越。依據設計需求，可能要對訊號、電源或兩者進行隔離。實現隔離的技術，需取決於當前受隔離電流的具體情況。

需要隔離的原因有相當多種。對於訊號而言，隔離可以改善感測器的完整性，就無需接地迴路，或可在故障時保護使用者和電路，讓電力流入訊號路徑。

對於電力而言，主要是為了確保使用者的安全，並避免因不慎接觸 AC 電線或高壓 DC 電源而導致觸電。還可支援非電源訊號所需的「浮動」電路 (未連接電路接地端)。

一般而言，隔離是一種依據克希荷夫電流定律 (KCL) 來引導電流流動的方法。要讓電流流動，必須有一條返回電源的路徑，而隔離的作用就是切斷此路徑。在潛在的觸電情境中，通過使用者並回到接地的完整故障電流路徑 (圖 1 左) 會被電源中的隔離變壓器 (圖 1 右) 切斷。

圖 1：為避免觸電，通過使用者並回到接地的故障電流路徑 (左) 會被電源中的隔離變壓器 (右) 切斷。(圖片來源：Lumen Learning)

在一種常見的潛在觸電情境中，絕緣層磨損會導致帶電的電線直接接觸電器的金屬機殼。即使該電器仍可照常運作，若接地線斷開 (常見情況)，故障電流就會通過使用者身體到達接地，而非安全地通過接地線，可能會導致使用者觸電。

為了管理此風險，電源供應器中的隔離功能會切斷電壓原始來源與裝置之間的電流路徑。這可避免兩者之間形成電路，儘管接線故障，仍可排除觸電危險。

請注意，危險電壓包括 AC 線路電壓以及相當的 DC 電壓，例如來自多芯電池組的電壓。大多數法規標準將危險電壓定義為高於約 60 V，具體依情況及電壓類型而定。

電源隔離幾乎都是透過變壓器的磁耦合來達成。磁耦合具有電氣效率、技術成效、高靈活度、高可靠性，並可輕鬆調整，以符合法規及電路需求。

眾多優質選擇的原因

在配電規劃中，並不缺乏架構選擇，因為現代化系統使用了許多電源軌道。然而，挑選適合的電源轉換器則較有挑戰性，因為有一部分的電路必須隔離，但其他部分並不需要隔離，甚至不可隔離。

有些情況下，高壓 AC/DC 或 DC/DC 電源軌不需要隔離，但在配電鏈的後段則需要隔離。設計人員有個必要決策就是採用單一較大型隔離式電源，或是多個較小型電源，以及是否僅在需要時才使用隔離電源，而其他地方則使用非隔離電源 (圖 2)。

圖 2：完整的系統層級配電安排通常要結合隔離式與非隔離式 AC/DC 及 DC/DC 電源轉換器。(圖片來源：TDK-Lambda)

為滿足這些需求，TDK-Lambda 提供多種板安裝降壓／升壓隔離與非隔離式 AC/DC 及 DC/DC 電源轉換器，可涵蓋多種輸入／輸出電壓與電流額定值。範例包括：

隔離式 AC/DC：PFE500F-28/T 屬於單輸出、28 V/18 A 轉換器，適用於 85 至 265 VAC 輸入。採用 122 × 70 × 12.7 mm 全磚型封閉式模組，具有 3000 VAC 輸入對輸出隔離，適用於無法採用自然對流或強制風冷的環境。

非隔離式 AC/DC：同樣採用全磚尺寸，PF1500B-360 封閉式模組可將 AC 輸入轉換為穩壓 360 VDC 輸出，可用於採用隔離式高壓 DC/DC 轉換器的分散式電源系統，或需要高壓電源的負載。在 170 至 265 VAC 輸入電壓下，額定功率為 1512 W；在 85 至 265 VAC 時則為 1008 W。此模組的功率因數為 0.98，效率高達 96.5%。

隔離式 DC/DC：GQA2W024A050V-007-R 隔離式 DC/DC 轉換器以緊湊、高效能的四分之一磚封裝提供 120 W 功率，具備高達 3000 VDC 的輸入對輸出隔離能力。其工作輸入範圍為 9 至 36 V，可輸出 5 V @ 24 A。其機械封裝提供多種底板、封閉及灌封配置 (如圖 3)，可透過外部冷板或散熱器支援自然對流與傳導散熱。

圖 3：為了讓設計人員在整體封裝設計與轉換器散熱方面擁有最大的靈活性，GQA2W024A050V-007-R 轉換器提供多種封裝配置。(圖片來源：TDK-Lambda)

非隔離式 DC/DC：I6A24014A033V-003-R 非隔離式負載點 (PoL) DC/DC 轉換器，非常適合以 12 或 24 VDC 電源供應器產生高電流輸出電壓軌。具有 9 至 40 V 的輸入電壓範圍，最大輸出可達 14 A，能以緊湊的 1/16 磚型封裝，提供 3.3 至 24 V的寬廣輸出調整範圍。

結論

TDK Lambda 提供隔離式和非隔離式的 PCB 板安裝轉換器，適用於多種拓撲結構及輸入與輸出電壓規格。可提供最佳化的高效能、現成轉換器組合，可滿足各種電力配置的需求。