中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

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借助高级 DC/DC 转换器,简化医疗器械等领域电源系统设计

2020-12-01

随着工业、运输和医疗应用中电子设备的使用愈加频繁,设计人员需要确保支持电源子系统在物理和电气要求严苛的环境中仍能保持高性能,并满足严格的法规和安全要求。同时,设计人员还必须在越来越紧张的预算和设计日程安排约束下完成工作。

随着时间的推移,DC/DC 转换器经历了巨大的变化,以满足各种要求。这些转换器减小了尺寸以提高功率密度、节省空间,并拓宽了输入范围以简化库存、精简物料清单 (BOM)。为使设计人员的工作更轻松,器件可提供的其他增强功能包括低噪声输出、更严格的负载调整率、强大的保护和安全功能,以及出色的热管理性能。不过,正如设计人员所预想,并非所有的 DC/DC 转换器都一样,因此他们在选型时必须加以区分,才能确保设计和应用成功。

本文将介绍 Bellnix、HVM Technology、Murata Power Solutions、Vicor 和 XP Power 推出的紧凑型 DC/DC 转换器。这些器件可用于确保低纹波噪声,并满足单输出和双输出电压的要求。此外,本文还将重点说明各种特性和增强功能,以及这些特性如何帮助设计人员提高功率调节功能、降低噪声、确保实现自我保护,并提供更出色的热管理。

DC/DC 转换器的工作原理

相比之下,非隔离式 DC/DC 转换器的输入和输出之间有直流路径,常用于电压变化较小的应用。

关键性能和设计考虑因素

DC/DC 转换器的关键性能特点包括能效、额定电流、纹波电压、调整率、瞬态响应、额定电压、尺寸和重量。有关这些性能的更多信息,请参见《DC/DC 转换器简介》(Introduction to DC/DC converters)。此外,设计人员还需考虑转换器能否支持各种标称输入电压。假定转换器还能为预期负载提供所需的必要输出电压和额定电流,则该器件就可以支持多个应用,从而减少库存和物流。

针对过压、欠压、反极性、短路和过热情况的保护也至关重要,具体取决于应用和电源特性。同样,它也必须具有良好的电磁兼容性 (EMC),并满足电磁干扰 (EMI) 要求。由于 DC/DC 转换器中使用的开关电源会将噪声直接引入负载,并产生射频噪声,从而影响周边电路的稳定性和精度,因此这一点尤为重要。

最后,设计人员应根据应用的设计和运行条件,仔细检查转换器的热特性,以便根据需要充分通风和采用其他热管理技术。

DC/DC 转换器越小越好

有些应用要求 DC/DC 转换器外形紧凑,以便节省空间、简化安装。对于这类应用,Bellnix 专门设计了 OHV 系列 1.5W 中高压 DC/DC 转换器。相比开发时可用的模块,所需的安装面积减少了近 60%。OHV12-1.0K1500P 是系统级封装 (SiP) 器件,尺寸为 44 x 16 x 30 mm,1.5 mA 电流时输出电压为 1000 V(图 2)。此外,Bellnix 的这个系列还针对纹波噪声进行了精心设计,峰峰值 (P-P) 可低至 5 mV。

该系列输入电压范围为 11 V 至 13 V,输入电流为 0.28 A。输出电压范围包括 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),具体取决于器件型号。

仪器仪表等应用中,这些器件低至 5 mVP-P 的纹波噪声相当重要,因为在这类应用中,高压电源的任何不稳定都会产生噪声并影响设备的精度。Bellnix 自主开发的电路技术能将噪声水平降至最低。虽然这些自主式器件无需任何外部元器件,但是设计人员仍可添加元器件以进一步降低噪声,减小输入阻抗(图 3)。

例如,为了减小转换器与电源之间因距离较远而产生的输入阻抗,可以在输入端添加电容器 C1。该电容器应接在转换器的端子侧,以减小引线电感。在充分考虑爬电距离和空间距离的情况下,可以慎重地将电容器 (C2) 接在靠近负载的位置,使输入输出接线最短,以便降低噪声。

该系列中的所有器件都具有内置短路和过流保护功能,并且采用五面金属外壳以进一步提高电源可靠性。该外壳采用了额外的屏蔽措施,可以保护器件免受过热和高温影响。OHV 系列的输出电压范围为 0 V 至 2000 V,可通过调节外部电压或外部可变电阻来控制。

对于电池供电设备的设计人员而言,HVM Technology 的 nHV 系列可提供 100 mW 精密的稳压电源,输出电压高达 1 kV,封装尺寸为 11.4 mm x 8.9 mm,高度为 9.4 mm。具体而言,从空载到满载的负载调整率 < 0.2%(典型值)。

nHV 系列的输入电压为 5 V (4.5 V ± 0.5 V)。根据器件型号不同,输出电压在 83 µA 时介于 -1200 V (NHV0512N) 与 1200 V (NHV0512) 之间,1 mA 时介于 -100 V (NHV0501N) 与 100 V (NHV0501) 之间。

该系列器件采用高阻抗编程输入 (100 kΩ),因而易于安装,无需低阻抗可调电源电压。输出电压与输入电源电压无关,而是与编程电压成比例,以确保出色的线性度。

宽输入范围

与 nHV 系列一样,XP Power 的 DTJ15 和 DTJ20 系列 15 W 和 20 W DC/DC 转换器也采用小型封装,以便于安装和高能效运行,不过有一点不同:这两个系列可安装在机架或 DIN 导轨上,通过螺纹端子连接(图 4)。

除了易于安装外,这些电源转换器的一个重要特性是可涵盖较宽的直流电压输入范围:9 V 至 36 V 和 18 V 至 75 V。这些转换器可使用多个标称电池电压和车辆电源等各种输入源,因而适用于众多工业、商业和通信应用。

DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 控制器共提供了 14 种型号,其中单输出器件可提供 3.3 V、5.0 V、12.0 V 和 15.0 V 的电压,双输出器件可提供 ±5.0 V、±12.0 V 和 ±15.0 V 的电压(图 5)。

DC/DC 转换器的远程开/关功能使其能由软件控制,有助于控制总功耗,使远程设备高效运行。

DTJ15 和 DTJ20 系列 DC/DC 转换器的另一个重要特性是软启动,通过调制内部误差放大器基准来调节输出电压,从而近似输出分段线性斜坡电压,直至达到标称输出电压。此外,DTJ15 和 DTJ20 系列控制器还提供其他保护功能,包括短路保护和输入反极性保护。

保护功能组合

在铁路、工业和运输应用中,电源系统设计对瞬态阶跃负载的快速建立时间有一定要求。而考虑到输入和输出电压振荡等其他瞬态事件,自保护功能对于 DC/DC 转换器的安全可靠运行就显得至关重要。

在电流限制(也称为功率限制)模式下,输出电流一旦增至约额定值的 130%,DC/DC 转换器就会进入电流限制模式,致使输出电压开始成比例下降,以保持恒定的耗散功率。

如果环境条件导致 DC/DC 转换器的温度升至设计工作温度以上,则精密温度传感器将关闭器件电源。一旦内部温度降至温度传感器阈值以下,DC/DC 转换器就会自启动。

Murata 的 IRE-Q12 系列隔离式 DC/DC 转换器具有自保护功能,可确保不会因较高的容性负载产生不利影响(图6)。例如,IRE-12/10-Q12PF-C 集成了所有相关的自保护功能,同时满足 EN50155 要求,能在掉电和瞬态条件下促进标称电池电压的产生。

IRE-Q12 系列转换器采用标准八分之一砖封装,在 9 V 至 36 V 的输入电压范围内提供 120 W 隔离输出。另外,该器件还提供了两个基板选项,一个可使电路板空间消耗最小,另一个是可方便机械固定到散热器的带槽法兰。

这些 DC/DC 转换器的输出可微调 +/-10%,以确保瞬态阶跃负载的快速建立时间。此外,所有转换器都通过了测试,并指定了输入反射纹波电流、输入端子纹波电流和输出噪声。

独立和阵列电源模式

Vicor 的 DCM2322 是隔离式 DC/DC 转换器系列,可在 9 V 至 50 V 的非稳压直流输入下工作,产生 28 V 的隔离输出(图 7)。它基于该公司的双钳位零电压开关 (DC-ZVS) 拓扑,有助于在整个输入电压范围内提供 93% 的高能效。

DCM2322T50T3160T60 等 DC/DC 转换器模块 (DCM) 单元充分利用了 Vicor 的 ChiP 封装技术在散热和功率密度方面的优势,使内部产生的热量均匀分散至封装表面。ChiP 技术还使 DCM 转换器具有极低的上、下侧热阻抗,从而提供灵活的热管理选项。

高效的热分配使 DCM 单元能将各种非稳压电源连接至负载点。此外,还提供输入和输出过压故障保护及其他故障处理机制,以便在检测到故障时关闭转换器(图 8)。

这些功能使 DCM 转换器能够以定义的标称负载线和温度系数提供稳压输出。如果转换器内部温度超过限值,则会记录为温度故障,动力系统就会立即停止转换;直待内部温度回到给定阈值,转换器才会重新启动。

此外,这些 DC/DC 转换器还提供集成式 EMI 滤波、严格的输出电压调节和次级基准控制接口,同时保留了常规砖架构的基本设计优势。

在数据中心和电信设备等应用中,功率要求超过单个 DC/DC 转换器可提供的功率,则可使用多个器件并联。可在阵列模式下并联多个 DCM 转换器,通过负载均分实现更高的功率容量,即使这些器件的输入电压源不同。经测试,Vicor 提供的合格阵列最多可包含八个 DC/DC 转换器,容量高达 480 W。

总结

电源设计人员若想支持工业、医疗、运输和仪器仪表应用的电子系统,就要考虑各种复杂性和相关成本,从对宽输入电压范围的需求到热管理和负载均分。不过,如本文所述,如今的 DC/DC 转换器已发展成为封装小巧、易于安装的自足式电源,消除了许多复杂性。
尽管如此,寻求更高性能的设计人员还可以添加其他元器件。此外,如果需要更大的灵活性,可越来越多地使用远程和可编程功能来执行阻抗补偿和加强各种保护功能,以避免器件烧坏、响应瞬态条件并降低系统总功耗。

文章来源:电子发烧友网
图片来源:网络