DC-DC隔离电源模块的基本原理与技术发展综述

2022-09-01郑翔天

通信电源技术 2022年9期

郑翔天

（贵州航天电子科技有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

随着技术的飞速进步，许多计算机智能化设备正朝着轻便化、小型化的方向发展，而且大规模集成电路的广泛应用要求电源系统具有强动态响应性能，并在低工作电压下保证足够的供电电流，同时对输入输出性能、功率密度以及可靠性等都提出了更高的要求[1]。除了可以实现可靠的功率输出外，隔离电源还可以起到电气隔离的作用，且对外界电磁具有强抗干扰性，因此被广泛引用在许多生产领域。随着DC-DC隔离电源技术的发展，隔离电源的可靠性和集成度得到了更大的提升[2]。

1 DC-DC隔离电源模块的主要特点

传统的集中式电源模块一般是通过交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）转换器进行电压转换及供电，这种电源系统的架构具有成本低、结构简单等特点，但由于转换器距离用电器较远，导致供电线路上的损耗较大，且用电负载过于集中，系统效果低，适用场景较为有限[3]。随着超大规模集成电路的广泛应用，对新型电源系统提出了全新的要求。因此，一种新的分布式电源系统应运而生，满足更多电压电流范围以及分布式负载的应用场景，包括大型服务器机房供电等。将AD/DC转换器结构简化，在母线电压后设置独立的DC-DC转换器模块用于把母线电压变换成负载电压，使得系统的整体电压维持稳定，提高响应速度和系统效率，减少线路损耗。其中DC-DC模块电源具有很强的可扩展性和灵活性，且正在朝着功率密度越来越高、响应性能越来越强、电压种类越来越多的方向发展，使得这种电源系统适合应用于各类电子设备中，包括通信、汽车、轨道交通以及航天器等大型电气设备中。

在DC-DC模块电源中，可在输出与输入之间设置隔离模块，因此可分为隔离型DC-DC模块电源及非隔离型DC-DC模块电源[3]。其中，隔离型DC-DC转换器具有更为复杂的结构以及更高的电气性能要求。以通信设备的DC-DC隔离电源模块为例，其功率密度已经设计的越来越大，同时可输出越来越低的电压，甚至低至1.2 V。

隔离型DC-DC电源模块主要具有以下特点。

（1）高隔离标准。出于安全性方面的考虑，隔离型DC-DC电源转换器需要达到IEC60950中要求的隔离标准，一般来说，功率回路的隔离采用的是功率变压器，控制回路的隔离采用的是信号变压器或光耦变压器。

（2）高可靠性。对于隔离型DC-DC电源转换器，一般采用简单的控制电路设计，以保证足够高的可靠性，通常要求连续上百万小时无故障发生。

（3）良好的性能。隔离型DC-DC电源转换器的基本电气性能包括输出特性、输入特性、系统效率、功率密度等方面，通常情况下对于负载、输入电压等都拥有较强的动态响应性能[4,5]。

2 DC-DC隔离电源模块的工作原理

2.1 隔离模块类型

2.1.1 光电耦合式隔离

光电耦合式隔离是当发光二极管遇到电信号时会发生光源并穿透绝缘材料由光敏三极管接收到，进而产生电平信号[6]。它的工作原理如图1所示。

图1 光电耦合式隔离的工作原理

良好的介电绝缘材料可以保证噪声隔离性能，提高耐压能力和共模抑制比。光电耦合式隔离器由于拥有较好的共模抑制能力和较高的隔离电压，因此对外界电磁场的抗干扰能力一般较强[7]。同时，光电耦合式隔离器也拥有功耗高、传输速度低等缺点，随着发光二极管使用寿命的缩短，其在正常电流下的数据传输性能逐渐减弱。常见的光电耦合式隔离器一般用于数字隔离，对于模拟隔离场景不太适用。

2.1.2 电容式隔离

电容由两块导体和绝缘层构成，其中绝缘层可以隔绝电流，但不能隔绝交流电，因此在电路中增加电容器可减小线路损耗。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为电容式隔离材料。

同样可作为数字隔离器件，电容式隔离相比光电耦合式隔离拥有更快的传输速度及性能，前者传输速度可比后者高10倍以上[8]。功耗方面，电容式隔离也比光电耦合式隔离拥有更低的功耗，可满足高效率传输的要求。此外，电容式隔离器对电场和磁场的抗干扰性也较强，但对于共模瞬态噪声比较敏感，因此传输信号的频率要求必须高于共模瞬态噪声频率。电容式隔离器两端存在电势差，往往会因为地电势的偏移造成瞬间高压，影响正常的数据传输[9]。

2.1.3 变压器磁耦合式隔离

相比电容式隔离器，变压器磁耦合式隔离更适合应用于功率传输场景。在变压器中，2组线圈经过绝缘材料隔离，并通过电磁感应来传输信息，这一原理可应用在磁耦合式隔离器中。

在传输信息时，磁耦合式隔离的工作模式包括共模和差模2种，其中共模模式可消除干扰信号，差模模式用于接收所传输的信号[10]。由于变压器理论上可实现传输过程零损耗，因此耦合式隔离器在线路损耗方面要远远优于光电耦合式隔离器。变压器磁耦合式隔离器的磁抗干扰性较弱，因此通常需要另外配备磁场隔离装置。

综上所述，DC-DC电源的隔离模块类型中，磁耦合式隔离器由于传输性能好、功耗低等优点被更广泛地应用于电源系统的电气隔离模块。

2.2 隔离电源转换器类型

2.2.1 单端隔离式DC-DC转换器

单端隔离式转换器的主要缺点是功率只在开关管导通时间内输入变压器，变压器磁芯只在B-H平面第一象限运行，不能得到充分利用[11]。单端隔离式DC-DC转换器包括正激、反激、隔离式Cuk、SEPIC以及Zeta共5种类型，主要具有以下特点。

（1）4个非隔离式变换器与4个隔离式变换器对应。（2）反激变换器、隔离式SEPIC、Zeta变换器分别用变压器代替Buck-Boost、非隔离式SEPIC和Zeta变换器中的并联电感。（3）Buck变换器和Boost变换器没有有实用意义的单端隔离式变换器与之对应。（4）就变压器一次侧电路而言，隔离式SEPIC变换器和Cuk变换器相同；对二次侧电路说，隔离式SEPIC变换器与反激变换器相同。（5）隔离式Zeta变换器则相反，对变压器一次侧电路而言，隔离式Zeta变换器和反激变换器相同；对二次侧电路来说，隔离式Zeta变换器则与Cuk变换器相同。（6）隔离式Cuk变换器是将非隔离式Cuk变换器耦合电容分成2个，在其间加入一个高频变压器[12]。开关导通时，耦合电容释放储能，变压器则释放励磁能量，反向磁化；当开关关断时，正向励磁。变压器磁芯可在第一和第三象限工作，能够得到充分利用，这是隔离式Cuk变换器磁芯和正激、反激变换器磁芯的不同之处。虽然隔离式Cuk变换器仍属于单端变换器，但无需另加复位措施。（7）单端隔离式DC-DC变换器直流输出电压的纹波频率等于开关频率。

2.2.2 双端隔离式DC-DC转换器

双端隔离式DC-DC转换器主要包括全桥式DC-DC转换器、半桥式DC-DC转换器以及推挽式DC-DC转换器。其中，全桥式DC-DC转换器是由4个开关管组成的网络，是一种理想的整流电路及变压器模型。在该电路中，磁化电感遵循伏秒原则，而且仅考虑磁化电感对变换器的影响，为了使得电路的运行更加便于分析，常常将其变压器采用理想模型，对于电路中的电流分配几乎没有影响。鉴于其磁通量大的优势，全桥式DC-DC转换器可很好地应用于功率传输大的设备中。此外，由于开关两端电压在稳定的电路中可控制在安全的范围内，这使得全桥式DC-DC转换器可在高电压的场景中稳定、安全地运行。

在半桥式DC-DC转换器中，其变压器线圈电流双向传输，且由于电容的作用，变压器两端的电压不高，因此比较适应于大功率或高压场景中[13]。同时，半桥式DC-DC转换器中原边线圈的电流也是双向的，电容的分压使得功率管所需承受的电压低，所以电路适用于输出功率较大或者输入电压较高的场合。但也正因为电容的分压，半桥式变换器不适用于电源电压过低的场合[14]。此外，由于电路可同时接通低侧开关和高侧开关，因此桥式转换器拓扑的开关控制信号应当设置恰当的死区时间。

推挽式DC-DC转换器最大的优势是电压增益较高、电路损耗较低，且其结构相对其他转换器更简单，非常适合使用在低电压场合，但足够大的电流同样也是必须的，特别是在功放电路中的应用非常广泛。然而由于开关导通时间和压降的差异，经常存在变压器偏磁的情况。进行开关控制时，感应电流会发生突变，从而在开关上产生一定的瞬态电压，很容易就会击穿开关，因此推挽式DC-DC转换器中通常需要使用具有耐高压性能的开关管。

3 DC-DC隔离电源模块技术发展趋势

（1）传输功率越来越大、传输效率越来越高。由于电气设备存在越来越小型化的趋势，为了满足在这个趋势下进行设备精细化加工的要求，设备中的模块电源也被设计得越来越小，这就要求其电源模块的输出功率越来越高。模块电源的开关频率已经从kHz量级提升到了MHz量级，同时变压器体积越来越小，电源系统的动态响应速度越来越快。此外，由于表面贴装技术越来越成熟，模块电源可被设计得越来越扁平，碳化硅等新材料的出现使得半导体器件损耗进一步降低，而且模块封装工艺逐渐进步，模块电源的功率密度和输出功率将进一步得到提升[15]。

（2）系统可靠性越来越高。由于部分电气设备需要在高温高压、强磁干扰等极端环境中使用，且需保证足够的使用寿命及性能，因此需要模块电源具有很高的耐高位高压及抗电磁干扰特性。由于磁隔离技术的广泛应用，使得电源系统的环路稳定性获得大大提升。

（3）磁性元件集成技术越来越成熟。由于模块电源的开关频率大大提升，在一定程度上，变压器的损耗会越来越大，因此很难再不断缩小变压器体积。然而可以采用平面变压器和扁平磁芯贴装技术，在印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）中集成电路，有效减弱变压器漏感，同时大大提升模块电源的可靠性。

（4）采用同步整流技术。在低压大电流场合，小功率DC-DC模块电源次级整流管的导通损耗占到系统损耗的很大比例，传统的高频二极管和肖特基二极管的压降在0.7 V左右，而同步整流管的压降只有0.2 V左右，可大大提高模块效率。