DC-DC隔離電源模塊的基本原理與技術(shù)發(fā)展綜述

鄭翔天

（貴州航天電子科技有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著技術(shù)的飛速進步，許多計算機智能化設(shè)備正朝著輕便化、小型化的方向發(fā)展，而且大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用要求電源系統(tǒng)具有強動態(tài)響應(yīng)性能，并在低工作電壓下保證足夠的供電電流，同時對輸入輸出性能、功率密度以及可靠性等都提出了更高的要求[1]。除了可以實現(xiàn)可靠的功率輸出外，隔離電源還可以起到電氣隔離的作用，且對外界電磁具有強抗干擾性，因此被廣泛引用在許多生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著DC-DC隔離電源技術(shù)的發(fā)展，隔離電源的可靠性和集成度得到了更大的提升[2]。

1 DC-DC隔離電源模塊的主要特點

傳統(tǒng)的集中式電源模塊一般是通過交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉(zhuǎn)換器進行電壓轉(zhuǎn)換及供電，這種電源系統(tǒng)的架構(gòu)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單等特點，但由于轉(zhuǎn)換器距離用電器較遠，導(dǎo)致供電線路上的損耗較大，且用電負(fù)載過于集中，系統(tǒng)效果低，適用場景較為有限[3]。隨著超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，對新型電源系統(tǒng)提出了全新的要求。因此，一種新的分布式電源系統(tǒng)應(yīng)運而生，滿足更多電壓電流范圍以及分布式負(fù)載的應(yīng)用場景，包括大型服務(wù)器機房供電等。將AD/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡化，在母線電壓后設(shè)置獨立的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊用于把母線電壓變換成負(fù)載電壓，使得系統(tǒng)的整體電壓維持穩(wěn)定，提高響應(yīng)速度和系統(tǒng)效率，減少線路損耗。其中DC-DC模塊電源具有很強的可擴展性和靈活性，且正在朝著功率密度越來越高、響應(yīng)性能越來越強、電壓種類越來越多的方向發(fā)展，使得這種電源系統(tǒng)適合應(yīng)用于各類電子設(shè)備中，包括通信、汽車、軌道交通以及航天器等大型電氣設(shè)備中。

在DC-DC模塊電源中，可在輸出與輸入之間設(shè)置隔離模塊，因此可分為隔離型DC-DC模塊電源及非隔離型DC-DC模塊電源[3]。其中，隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器具有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及更高的電氣性能要求。以通信設(shè)備的DC-DC隔離電源模塊為例，其功率密度已經(jīng)設(shè)計的越來越大，同時可輸出越來越低的電壓，甚至低至1.2 V。

隔離型DC-DC電源模塊主要具有以下特點。

（1）高隔離標(biāo)準(zhǔn)。出于安全性方面的考慮，隔離型DC-DC電源轉(zhuǎn)換器需要達到IEC60950中要求的隔離標(biāo)準(zhǔn)，一般來說，功率回路的隔離采用的是功率變壓器，控制回路的隔離采用的是信號變壓器或光耦變壓器。

（2）高可靠性。對于隔離型DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，一般采用簡單的控制電路設(shè)計，以保證足夠高的可靠性，通常要求連續(xù)上百萬小時無故障發(fā)生。

（3）良好的性能。隔離型DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的基本電氣性能包括輸出特性、輸入特性、系統(tǒng)效率、功率密度等方面，通常情況下對于負(fù)載、輸入電壓等都擁有較強的動態(tài)響應(yīng)性能[4,5]。

2 DC-DC隔離電源模塊的工作原理

2.1 隔離模塊類型

2.1.1 光電耦合式隔離

光電耦合式隔離是當(dāng)發(fā)光二極管遇到電信號時會發(fā)生光源并穿透絕緣材料由光敏三極管接收到，進而產(chǎn)生電平信號[6]。它的工作原理如圖1所示。

圖1 光電耦合式隔離的工作原理

良好的介電絕緣材料可以保證噪聲隔離性能，提高耐壓能力和共模抑制比。光電耦合式隔離器由于擁有較好的共模抑制能力和較高的隔離電壓，因此對外界電磁場的抗干擾能力一般較強[7]。同時，光電耦合式隔離器也擁有功耗高、傳輸速度低等缺點，隨著發(fā)光二極管使用壽命的縮短，其在正常電流下的數(shù)據(jù)傳輸性能逐漸減弱。常見的光電耦合式隔離器一般用于數(shù)字隔離，對于模擬隔離場景不太適用。

2.1.2 電容式隔離

電容由兩塊導(dǎo)體和絕緣層構(gòu)成，其中絕緣層可以隔絕電流，但不能隔絕交流電，因此在電路中增加電容器可減小線路損耗。由于二氧化硅不易老化，且成本低廉，因此常常采用二氧化硅作為電容式隔離材料。

同樣可作為數(shù)字隔離器件，電容式隔離相比光電耦合式隔離擁有更快的傳輸速度及性能，前者傳輸速度可比后者高10倍以上[8]。功耗方面，電容式隔離也比光電耦合式隔離擁有更低的功耗，可滿足高效率傳輸?shù)囊蟆４送?，電容式隔離器對電場和磁場的抗干擾性也較強，但對于共模瞬態(tài)噪聲比較敏感，因此傳輸信號的頻率要求必須高于共模瞬態(tài)噪聲頻率。電容式隔離器兩端存在電勢差，往往會因為地電勢的偏移造成瞬間高壓，影響正常的數(shù)據(jù)傳輸[9]。

2.1.3 變壓器磁耦合式隔離

相比電容式隔離器，變壓器磁耦合式隔離更適合應(yīng)用于功率傳輸場景。在變壓器中，2組線圈經(jīng)過絕緣材料隔離，并通過電磁感應(yīng)來傳輸信息，這一原理可應(yīng)用在磁耦合式隔離器中。

在傳輸信息時，磁耦合式隔離的工作模式包括共模和差模2種，其中共模模式可消除干擾信號，差模模式用于接收所傳輸?shù)男盘朳10]。由于變壓器理論上可實現(xiàn)傳輸過程零損耗，因此耦合式隔離器在線路損耗方面要遠遠優(yōu)于光電耦合式隔離器。變壓器磁耦合式隔離器的磁抗干擾性較弱，因此通常需要另外配備磁場隔離裝置。

綜上所述，DC-DC電源的隔離模塊類型中，磁耦合式隔離器由于傳輸性能好、功耗低等優(yōu)點被更廣泛地應(yīng)用于電源系統(tǒng)的電氣隔離模塊。

2.2 隔離電源轉(zhuǎn)換器類型

2.2.1 單端隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器

單端隔離式轉(zhuǎn)換器的主要缺點是功率只在開關(guān)管導(dǎo)通時間內(nèi)輸入變壓器，變壓器磁芯只在B-H平面第一象限運行，不能得到充分利用[11]。單端隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器包括正激、反激、隔離式Cuk、SEPIC以及Zeta共5種類型，主要具有以下特點。

（1）4個非隔離式變換器與4個隔離式變換器對應(yīng)。（2）反激變換器、隔離式SEPIC、Zeta變換器分別用變壓器代替Buck-Boost、非隔離式SEPIC和Zeta變換器中的并聯(lián)電感。（3）Buck變換器和Boost變換器沒有有實用意義的單端隔離式變換器與之對應(yīng)。（4）就變壓器一次側(cè)電路而言，隔離式SEPIC變換器和Cuk變換器相同；對二次側(cè)電路說，隔離式SEPIC變換器與反激變換器相同。（5）隔離式Zeta變換器則相反，對變壓器一次側(cè)電路而言，隔離式Zeta變換器和反激變換器相同；對二次側(cè)電路來說，隔離式Zeta變換器則與Cuk變換器相同。（6）隔離式Cuk變換器是將非隔離式Cuk變換器耦合電容分成2個，在其間加入一個高頻變壓器[12]。開關(guān)導(dǎo)通時，耦合電容釋放儲能，變壓器則釋放勵磁能量，反向磁化；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，正向勵磁。變壓器磁芯可在第一和第三象限工作，能夠得到充分利用，這是隔離式Cuk變換器磁芯和正激、反激變換器磁芯的不同之處。雖然隔離式Cuk變換器仍屬于單端變換器，但無需另加復(fù)位措施。（7）單端隔離式DC-DC變換器直流輸出電壓的紋波頻率等于開關(guān)頻率。

2.2.2 雙端隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器

雙端隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器主要包括全橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器、半橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器以及推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器。其中，全橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器是由4個開關(guān)管組成的網(wǎng)絡(luò)，是一種理想的整流電路及變壓器模型。在該電路中，磁化電感遵循伏秒原則，而且僅考慮磁化電感對變換器的影響，為了使得電路的運行更加便于分析，常常將其變壓器采用理想模型，對于電路中的電流分配幾乎沒有影響。鑒于其磁通量大的優(yōu)勢，全橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器可很好地應(yīng)用于功率傳輸大的設(shè)備中。此外，由于開關(guān)兩端電壓在穩(wěn)定的電路中可控制在安全的范圍內(nèi)，這使得全橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器可在高電壓的場景中穩(wěn)定、安全地運行。

在半橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器中，其變壓器線圈電流雙向傳輸，且由于電容的作用，變壓器兩端的電壓不高，因此比較適應(yīng)于大功率或高壓場景中[13]。同時，半橋式DC-DC轉(zhuǎn)換器中原邊線圈的電流也是雙向的，電容的分壓使得功率管所需承受的電壓低，所以電路適用于輸出功率較大或者輸入電壓較高的場合。但也正因為電容的分壓，半橋式變換器不適用于電源電壓過低的場合[14]。此外，由于電路可同時接通低側(cè)開關(guān)和高側(cè)開關(guān)，因此橋式轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞拈_關(guān)控制信號應(yīng)當(dāng)設(shè)置恰當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間。

推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器最大的優(yōu)勢是電壓增益較高、電路損耗較低，且其結(jié)構(gòu)相對其他轉(zhuǎn)換器更簡單，非常適合使用在低電壓場合，但足夠大的電流同樣也是必須的，特別是在功放電路中的應(yīng)用非常廣泛。然而由于開關(guān)導(dǎo)通時間和壓降的差異，經(jīng)常存在變壓器偏磁的情況。進行開關(guān)控制時，感應(yīng)電流會發(fā)生突變，從而在開關(guān)上產(chǎn)生一定的瞬態(tài)電壓，很容易就會擊穿開關(guān)，因此推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器中通常需要使用具有耐高壓性能的開關(guān)管。

3 DC-DC隔離電源模塊技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）傳輸功率越來越大、傳輸效率越來越高。由于電氣設(shè)備存在越來越小型化的趨勢，為了滿足在這個趨勢下進行設(shè)備精細化加工的要求，設(shè)備中的模塊電源也被設(shè)計得越來越小，這就要求其電源模塊的輸出功率越來越高。模塊電源的開關(guān)頻率已經(jīng)從kHz量級提升到了MHz量級，同時變壓器體積越來越小，電源系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度越來越快。此外，由于表面貼裝技術(shù)越來越成熟，模塊電源可被設(shè)計得越來越扁平，碳化硅等新材料的出現(xiàn)使得半導(dǎo)體器件損耗進一步降低，而且模塊封裝工藝逐漸進步，模塊電源的功率密度和輸出功率將進一步得到提升[15]。

（2）系統(tǒng)可靠性越來越高。由于部分電氣設(shè)備需要在高溫高壓、強磁干擾等極端環(huán)境中使用，且需保證足夠的使用壽命及性能，因此需要模塊電源具有很高的耐高位高壓及抗電磁干擾特性。由于磁隔離技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電源系統(tǒng)的環(huán)路穩(wěn)定性獲得大大提升。

（3）磁性元件集成技術(shù)越來越成熟。由于模塊電源的開關(guān)頻率大大提升，在一定程度上，變壓器的損耗會越來越大，因此很難再不斷縮小變壓器體積。然而可以采用平面變壓器和扁平磁芯貼裝技術(shù)，在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）中集成電路，有效減弱變壓器漏感，同時大大提升模塊電源的可靠性。

（4）采用同步整流技術(shù)。在低壓大電流場合，小功率DC-DC模塊電源次級整流管的導(dǎo)通損耗占到系統(tǒng)損耗的很大比例，傳統(tǒng)的高頻二極管和肖特基二極管的壓降在0.7 V左右，而同步整流管的壓降只有0.2 V左右，可大大提高模塊效率。

4 結(jié) 論

本文介紹了DC-DC隔離電源模塊的主要特點，包括高隔離標(biāo)準(zhǔn)、高可靠性以及良好的性能。此外，分析了變壓器磁耦合式隔離、光電耦合式隔離與電容式隔離技術(shù)的工作原理，闡述了單端式和雙端式DC-DC隔離電源轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計原理。