深入解析DCPA1系列1-W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊

引言

在電子工程師的日常設(shè)計中，DC/DC轉(zhuǎn)換器是不可或缺的關(guān)鍵組件。德州儀器（TI）的DCPA1系列1-W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，以其獨特的性能和豐富的特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了強大的競爭力。今天，我們就來深入剖析這款產(chǎn)品，探討它的特點、應(yīng)用以及設(shè)計要點。

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產(chǎn)品概述

DCPA1系列是一系列1-W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，能夠從5V輸入源提供高達1W的隔離輸出功率，典型效率高達87%。該系列產(chǎn)品采用了高度集成的封裝技術(shù)以及定制的功率級和控制設(shè)備，電路設(shè)計運用了先進的BiCMOS和DMOS工藝。其具備2kV DC的隔離能力（1秒測試），連續(xù)施加在隔離屏障上的電壓為60VDC / 42.5VAC，同時獲得了UL1950認可，滿足EN55022 class B EMC性能要求。

產(chǎn)品特性

隔離特性

• 操作或功能隔離：通過高壓測試（hipot）來定義，通常在變壓器的構(gòu)建中使用絕緣線作為主要隔離屏障。生產(chǎn)過程中會進行1秒的高壓測試（介電耐壓測試），以驗證隔離屏障的功能。但需注意，具有操作隔離的產(chǎn)品絕不能用作安全隔離系統(tǒng)的元件。
• 基本或增強隔離：由電源的初級和次級電路之間指定的爬電距離和電氣間隙限制來定義。除了變壓器中的絕緣線，還使用隔離屏障，并且輸入和輸出電路必須通過指定距離進行物理分隔。
• 連續(xù)電壓：對于沒有特定安全機構(gòu)認證（操作隔離）的設(shè)備，在正常運行中可施加在部件上的連續(xù)電壓小于42.4VRMS或60VDC。要確保輸入和輸出電壓都保持在正常的安全特低電壓（SELV）限制范圍內(nèi)。
• 隔離電壓：TI的DCPA1系列DC/DC轉(zhuǎn)換器在生產(chǎn)過程中都會進行1.5kV AC的1秒耐壓測試，以驗證隔離的完整性。
• 重復(fù)高壓隔離測試：重復(fù)的高壓隔離測試可能會降低隔離能力，因此要嚴(yán)格限制測試次數(shù)。如果確實需要進行測試，應(yīng)將電壓降低20%，且每次測試持續(xù)時間不超過1秒。

功率級

采用推挽式中心抽頭拓撲結(jié)構(gòu)，開關(guān)頻率為425kHz（由850kHz的振蕩器分頻得到）。

輸入和輸出電容

• 輸入電容：所有DCPA1設(shè)計都需要一個最小2.2μF的低等效串聯(lián)電阻（ESR）陶瓷輸入電容，并盡可能靠近設(shè)備的輸入引腳（+VS和 - VS）放置，以確保良好的啟動性能。
• 輸出電容：每個輸出的推薦典型輸出電容為1.0μF的低ESR陶瓷電容。增加額外的輸出電容有助于減少紋波，但啟動時也會需要更多的輸入電流。

振蕩器和看門狗電路

板載850kHz的振蕩器通過分頻電路產(chǎn)生開關(guān)頻率，并且可以與外部源同步，以最小化系統(tǒng)噪聲?？撮T狗電路會檢查振蕩器電路的運行情況。

同步功能

當(dāng)板上需要多個DC/DC轉(zhuǎn)換器時，不同轉(zhuǎn)換器之間的開關(guān)頻率微小差異可能會產(chǎn)生拍頻和其他電氣干擾。DCPA1系列設(shè)備允許與外部時鐘同步，SYNC IN引腳響應(yīng)外部時鐘的上升沿。如果外部時鐘移除，設(shè)備將恢復(fù)到內(nèi)部振蕩器的頻率。若該引腳未使用，建議將其連接到輸入側(cè)公共端（ - VS）。

SWOUT引腳

該引腳直接連接到變壓器次級繞組在輸出整流器之前的一端。不建議從該引腳汲取電流，也不要直接連接電容，否則會降低性能。此外，SWOUT引腳與SYNC IN引腳不兼容，不能將它們連接在一起。

軟啟動功能

DCPA1系列設(shè)備具備軟啟動功能，可防止上電時產(chǎn)生高浪涌電流。輸入電源施加后，輸出電壓通常會延遲10ms開始上升，軟啟動時間通常為5ms。

負載調(diào)節(jié)

負載調(diào)節(jié)范圍為10% - 100%負載。在低于10%負載的情況下運行，輸出電壓可能會比典型輸出電壓高出40%。因此，建議放置最小10%的負載，以確保輸出電壓在電氣特性規(guī)定的范圍內(nèi)。

熱性能

• 熱保護：配備熱關(guān)斷電路，當(dāng)芯片溫度超過150°C時，設(shè)備會關(guān)斷。溫度降至150°C以下時，設(shè)備恢復(fù)正常運行。在過熱情況下，設(shè)備會隨機循環(huán)開關(guān)，直到溫度降低。
• 電流限制：為防止輸出短路，內(nèi)置了典型值為1.75A的電流限制保護閾值。不建議在超過設(shè)備輸出電流額定值的情況下使用該設(shè)備，否則會對內(nèi)部組件造成過大壓力。對于部分短路情況，建議使用輸入保險絲或輸出保險絲進行保護。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

基本結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)集成電路相同，模制封裝中沒有基板。由IC、整流二極管和繞線磁環(huán)組成，采用引線框架封裝。由于封裝中沒有焊料，因此不需要特殊的印刷電路板（PCB）組裝工藝，具有較高的固有可靠性。

應(yīng)用場景

信號路徑隔離和接地環(huán)路消除

在許多電子系統(tǒng)中，信號路徑隔離和接地環(huán)路消除是至關(guān)重要的。DCPA1系列的高隔離性能和低紋波特性，使其能夠有效地實現(xiàn)信號路徑隔離，消除接地環(huán)路帶來的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制與儀表

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)控制與儀表中，需要高精度、高穩(wěn)定性的電源供應(yīng)。DCPA1系列的高效率和良好的電氣特性，能夠滿足這些應(yīng)用對電源的嚴(yán)格要求，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和控制的可靠性。

測試設(shè)備

測試設(shè)備通常對電源的性能和穩(wěn)定性有較高的要求。DCPA1系列的隔離特性和低紋波輸出，能夠為測試設(shè)備提供干凈、穩(wěn)定的電源，減少測試誤差，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

設(shè)計要點

紋波減少

高開關(guān)頻率（425kHz）允許使用簡單的濾波電路。為了減少輸出電壓紋波，建議在+Vout引腳使用最小1μF的電容。對于雙輸出設(shè)備，將兩個輸出都解耦到COM引腳。同時，所需的2.2μF低ESR陶瓷輸入電容也有助于減少紋波和噪聲。

串聯(lián)和并聯(lián)連接

• 串聯(lián)連接：多個DCPA1隔離式1-W DC/DC轉(zhuǎn)換器可以串聯(lián)連接，以提供非標(biāo)準(zhǔn)電壓軌。通過將一個DCPA1的+Vout連接到另一個的 - VOUT，可以實現(xiàn)這種配置。雙輸出DCPA1設(shè)備的輸出也可以串聯(lián)連接，以提供兩倍的+VOUT電壓。
• 并聯(lián)連接：如果一個DCPA1的輸出功率不足，可以將多個DCPA1的輸出并聯(lián)。同步功能可以輕松實現(xiàn)同步，避免電源軌產(chǎn)生拍頻，且無需額外的濾波成本。

PCB設(shè)計

• 銅損最小化：盡可能使用公共接地和電源平面，以減少銅損（電阻和電感）。如果無法使用平面，則使用寬走線來降低損耗。如果多個設(shè)備由同一電源供電，應(yīng)采用星形連接的走線系統(tǒng)，避免串聯(lián)連接，以免級聯(lián)電阻損耗。
• 去耦電容位置：去耦電容的位置非常重要，應(yīng)盡可能靠近設(shè)備，以減少雜散電感的影響，提高紋波性能。特別是輸入去耦電容，它為功率驅(qū)動電路的快速開關(guān)波形提供瞬態(tài)電流。

電源供應(yīng)建議

DCPA1是開關(guān)電源，會對輸入電源產(chǎn)生高峰值電流需求。為避免在快速開關(guān)脈沖期間電源瞬間下降，應(yīng)使用接地和電源平面將電源連接到DCPA1設(shè)備的輸入。如果無法實現(xiàn)平面連接，則應(yīng)采用星形連接方式，并使走線盡可能寬。

總結(jié)

DCPA1系列1-W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊以其出色的隔離性能、豐富的功能特性和靈活的應(yīng)用方式，為電子工程師提供了一個優(yōu)秀的電源解決方案。在設(shè)計過程中，我們需要充分考慮其各項特性和設(shè)計要點，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和應(yīng)用DCPA1系列轉(zhuǎn)換器，為我們的電子設(shè)計工作帶來更多的便利和創(chuàng)新。

你在使用DCPA1系列轉(zhuǎn)換器的過程中遇到過哪些問題？或者有什么獨特的應(yīng)用經(jīng)驗？歡迎在評論區(qū)分享交流！