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RECOM 先进的3DPP®技术实现DC/DC小型化

RECOM 先进的3DPP®技术实现DC/DC小型化

2022/3/30 15:44:47

3DPP?新技术让 DC/DC 转换器在进一步小型化的同时提高功率密度,而性能并未因此受到影响。新产品具有更全面的控制和保护功能,个别型号的隔离还达到了最高的医疗等级。

在现代产品中 DC/DC 转换与功率密度密切相关,需要在有限的空间内提供足够的功率来实现电压电平转换和隔离。这在世界和医疗设备的尖端产品中尤其明显。提高转换器的效率水平确实有助于小型化,这使产品能够从笨重的非板载模组发展为 PCB 板载元件。将转换和调节放在靠近负载的理想位置,因此这个位置必须精准。

然而现有的板载产品很多依然采用的是上个世纪末流行的结构与电路设计。转换器在很大程度上是包含内部PCB、外壳、灌封和引脚的「迷你最终产品」。内部的结构工艺中,如磁性组件所使用仍然是昂贵的手工组装工艺。成品通常是通孔插件封装,即便是有SMT封装也有可能因为严格的回流焊温度控制而使其不容易受焊接到用户的主板上。因此工程师有时会选择更易于处理的分立设计,但这会占用更多的电路板空间,并在设计、认证、采购、库存、运输、组装和测试上带来成本负担。

因此用户和转换器制造商所期望的是能够实现与其他现代元件封装一样小的 SMT 形式的 DC/DC 转换器。转换器的成本应该要足够低而且不需要特殊的散热装置或特殊回流焊温度和过炉时间。如果实现了这一点,设计人员将不再考虑使用分立式的设计,就如他们不会考虑在A/D 转换器使用分立晶体管一样。

3D 电源封装 — 从新维度思考

以前的DC/DC 设计人员可能会从设定占板面积开始,缩小内部 PCB 然后尽可能塞入更多的分立组件。另一个新方法是一开始就从三维进行思考,制造商 RECOM 称之为3DPP? (3D 电源封装?)。这个概念的前提是 DC/DC 转换器应该使用全自动制造技术生产,像其他元件一样进行预处理和置件。内部构造设计充分利用空间维度并丢弃不必要的材料。例如,PCB 只是一个为了各元件间连接而占用空间的载体,那么为什么不干脆在封装内使用元件的自有支撑直接进行连接呢?内部芯片无论如何都有一个引线框架来与外部连接,因此其他元件可以直接放在上面,不再有 PCB的需求。RECOM RPX-1.0是极佳的例子,这是一个开关稳压器,4-36V 的宽输入提供 0.8-30V 1A的可调输出。该部件仅3 x 5 x 1.6mm,有 QFN 端接。内部采用先进的热管理倒装芯片技术,运用 MHz 级的开关频率,超高的效率提供超过惊人的 1kW/cm3 潜在功率密度。内部结构如图 1 所示。

 

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图 1:RECOM RPX-1.0 DC/DC 转换器的内部结构

RECOM的DC/DC系列使用更进一步的3DPP 技术,例如,将芯片直接嵌入基板。这种技术释放了其他组件原本占据的空间,使用特别的重布线层 (RDL) 的 IC 芯片,直接接触 PCB 上的敷铜达到无焊连接,从而提高可靠性和热性能。RECOM RPL-3.0 就是使用这个技术的例子,它是一个 3A 输出开关稳压器,面积仅 3 平方毫米、1.45 毫米高。这种结构(图 2)不需要再次包覆因为本身就很坚固,节省了成本和空间。由于芯片通过基板直接连接到用户的 PCB,加上转换器的效率超过 95% 因此热性能也十分出色。

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图 2:RECOM RPL-3.0 DC/DC的芯片嵌入基板结构

DC/DC 的小型化和自动化结构带来的好处 --更短的热路径可以有效提高散热效率降低芯片温度;更短的,让电气回路保持封闭和紧凑环路,从而降低 EMI。再加上 MHz 级别的开关频率可以有利于降低输入和输出电容容值,进一步减小尺寸。

DC/DC 开始采用 SOIC-16 封装

另一个3DPP 的例子是一个更像IC 的隔离转换器。新的 RECOM RxxCTExxS 系列采用SOIC-16(宽)封装,占板面积10.3mm x 7.7mm,高度仅 2.65mm ,非常适合空间受限的应用。与前面的例子不同,该产品(图 3)具有电气隔离功能。内部控制 IC 和专用的平面变压器采用框架式电气连接,延伸至外部形成鸥翼式的引脚。

 

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图 3:RECOM RxxCTExxS DC/DC 转换器采用 SOIC-16 封装,额定功率高达 1W

随着尺寸缩小,DC/DC 转换器的隔离是否可靠是一个存在已久的问题。所有的安全机构认证要求转换器内部和外部(引脚)有最低程度的安全绝缘间距(爬电距离和电气间隙),而RxxCTExxS 的优势在于外部鸥翼式引脚的安全绝缘间距(爬电距离和电气间隙)大于8 mm。极具成本效益的全新 RxxCTExxS 系列提供 3kVDC/1 分钟隔离,符合 IEC/UL/EN 62368-1 基本隔离要求,因此它可作为产品的安全隔离系统的一部分。在小尺寸的内部空间中,传统的环形变压器无法满足绝缘要求,而有骨架或类似结构的分立式变压器的 E 型磁芯又会太大,因此将开关频率提高至 30MHz能够大幅降低绕组匝数和平面变压器磁芯的尺寸,同时结合固体绕组间绝缘来满足隔离要求。

另外,还有两款低成本稳压型5V 转5V 转换器,输出功率0.5W 和 1W。在实际应用中可为数据接口提供 5V 隔离供电或极性反转(图 4)。它们涵盖的市场范围很广,包括物联网、工业、医疗、智能计量,以及需要可靠且坚固部件的应用上。虽然尺寸小巧,但隔离电容却低至7pF,在医疗应用中很有价值,也可为功率开关管的上桥臂栅极驱动器提供电源,适应其非常高的 dV/dt 应用环境。EMI辐射性能也特别好。

 

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图 4:RECOM RxxCTExxS DC/DC 转换器为隔离数据接口供电

0.5W 和 1W 版本皆无最低负载要求,适合轻负载待机模式;与许多竞争产品不同,它提供短路、过流和过热的全面保护。

同时提供 2 x MOPP 医疗级隔离版本

上述的 RxxCTExxS DC/DC 转换器属于RECOM「Econoline系列」,它们的功能和性能特别适合成本敏感的应用。此外还有更高规格的另一款型号为R05CT05S 的转换器,它提供医疗级的增强隔离同时保持成本效益。R05CT05S 采用相同的 SOIC-16 封装,额定功率为 0.5W,标称输入 5V。输出可设置为 3.3V 或 5V,或者 3.7V 或 5.4V 来为低压差稳压器 (LDO) 供电。该型号在医疗级应用中的亮点是 2 x MOPP(患者保护),5kVAC/1MIN增强型隔离符合 IEC/EN 60601-1。它的耦合电容仅 3.5pF在 250VAC/50Hz 应用中的漏电流基本上可以忽略不计。在非医疗环境中它的规格更是出色,在 800VAC 工作电压下提供增强隔离符合 IEC/EN/UL 62368-1标准。最高工作温度可高达 140°C(降额),具备使能、同步和输出微调功能以及欠压锁定、短路、过流和过温保护功能。

RECOM R05CT05S DC/DC转换器的医疗应用

值得注意的是R05CT05S 等的DC/DC 转换器是如何应用在医疗领域以及它们可以带来何种价值?电子设备越来越常用在不同的医疗和家庭保健环境,产品设计人员可能对必须遵守的电气安全标准相当熟悉,IEC 60601-1:2005 及其附属文件和国家标准,以及欧洲的 EN 60601-1:2006和美国的 ANSI/AAMI ES-60601-1。这些标准着重在防止高压电击或漏电,而且一般认为只有 AC/DC 转换器才跟这些法规有关。然而DC/DC 通常是安全隔离系统的一部分,如果设定正确其实可以免去使用最高医疗等级的 AC/DC的需要。

我们先来复习术语和医疗安全的要求:标准中提到了操作员和患者环境的「保护措施」(MOP)。MOP 可以是不同的形式;有一个接地的金属外壳和电源保险丝提供一级MOP。采用规定的爬电距离或电气间隙可以是一级或两级 MOP,取决于实际的间隔距离。相同地,固体材料可以提供一级或两级 MOP。在所有的情况下,所需的距离取决于其他因素,例如系统电压、过电压类别、环境污染程度和海拔高度。患者保护 (MOPP) 的要求比操作员 (MOOP) 的要求更为严格。

以交流供电设备为例,交流线路与输出之间必须至少有 2 x MOOP 或 2 x MOPP,差别在于「操作员」还是「患者」的环境。然而连接患者的输出也必须至少有 1 x MOPP 的输出到地隔离,以避免患者因为其他的设备故障而发生导电,然后致命电流可能会通过患者流到无故障设备的接地端。许多 AC/DC 转换器不提供这种从输出到接地的隔离等级,或最多只有 1 x MOOP。在这种情况下,可以使用一个隔离式 DC/DC 转换器来为连接患者的电路供电。如果它有合适的医疗级隔离,可以使仅有 1 x MOOP 的输出对地隔离的 AC/DC 转换器用在患者环境(图 5)。与 1 x MOPP 接地的 AC/DC 相比,具有更常见的 1 x MOOP 的 AC/DC 加上低成本医疗 DC/DC的组合是一种经济的解决方案。虽然 DC/DC 通常只有低电压输入和输出,但在这个应用中,MOP 的安全等级必须针对「系统」电压,通常为 250VAC。选择时必须小心谨慎,因为一些标榜2 x MOPP的竞争产品仅适合低系统电压,比如 30VAC,而这在应用中几乎没有价值。

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图 5:使用经济的部件实现最高等级患者连接的医疗电源示例

图 5 说明的另一种情况是有未指定的信号输入/输出连接(SIPP 和/或 SOPP),例如连接到交流或电池供电设备的通信端口。患者连接和信号之间必须有 2 x MOPP以防外部故障使信号带电。同样地,外加一个 DC/DC 转换器可以提供所需的隔离。图 5 是一个2 x MOOP 医疗级、具有未指定的系统信号输入的I 类 AC/DC 电源。它还包括一个 2 x MOPP DC/DC 转换器来为信号输入提供必要的隔离,并允许在连接患者情况下使用成本更低的「操作员隔离等级」的AC/DC。AC/DC 本身可能有过高的漏电流不符合患者连接的要求,但 DC/DC 的低隔离电容能将其降到易于接受的最大值。DC/DC 转换器通常只需要提供低功率给信号隔离的患者连接接口因此相对较小且成本较低。

电池供电设备也归在同一类,必须在患者连接输出以及任何可能连接的未指定设备之间有2 x MOPP 隔离,例如电池充电器或USB线连接的打印机。2 x MOPP DC/DC 转换器一样可以用来供电给隔离的患者连接接口电路。

结论

具有医疗级隔离认证的 DC/DC 转换器可以是实现敏感应用所需的隔离等级的宝贵工具,例如最严格的心脏起博 (CF)和患者连接。RECOM R05CT05S 可以应用于这些敏感应用,在不影响安全性的情况下尽可能的降低成本。RECOM 在最新产品中不断使用一些先进的电路拓扑、热管理和3DPP?封装技术,继续推动公司产品(AC/DC、DC/DC转换器)朝着更加小型化、更高效和更具成本效益的方向发展。

审核编辑(
王静
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