DC-DC隔離電源模塊的基本原理與技術發展綜述

鄭翔天

（貴州航天電子科技有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著技術的飛速進步，許多計算機智能化設備正朝著輕便化、小型化的方向發展，而且大規模集成電路的廣泛應用要求電源系統具有強動態響應性能，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領域。隨著DC-DC隔離電源技術的發展，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

傳統的集中式電源模塊一般是通過交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉換器進行電壓轉換及供電，這種電源系統的架構具有成本低、結構簡單等特點，但由于轉換器距離用電器較遠，導致供電線路上的損耗較大，且用電負載過于集中，系統效果低，適用場景較為有限[3]。隨著超大規模集成電路的廣泛應用，對新型電源系統提出了全新的要求。因此，一種新的分布式電源系統應運而生，滿足更多電壓電流范圍以及分布式負載的應用場景，包括大型服務器機房供電等。將AD/DC轉換器結構簡化，在母線電壓后設置獨立的DC-DC轉換器模塊用于把母線電壓變換成負載電壓，使得系統的整體電壓維持穩定，提高響應速度和系統效率，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、響應性能越來越強、電壓種類越來越多的方向發展，使得這種電源系統適合應用于各類電子設備中，包括通信、汽車、軌道交通以及航天器等大型電氣設備中。

在DC-DC模塊電源中，可在輸出與輸入之間設置隔離模塊，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轉換器具有更為復雜的結構以及更高的電氣性能要求。以通信設備的DC-DC隔離電源模塊為例，其功率密度已經設計的越來越大，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）高隔離標準。出于安全性方面的考慮，隔離型DC-DC電源轉換器需要達到IEC60950中要求的隔離標準，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電源轉換器，一般采用簡單的控制電路設計，以保證足夠高的可靠性，通常要求連續上百萬小時無故障發生。

（3）良好的性能。隔離型DC-DC電源轉換器的基本電氣性能包括輸出特性、輸入特性、系統效率、功率密度等方面，通常情況下對于負載、輸入電壓等都擁有較強的動態響應性能[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發光二極管遇到電信號時會發生光源并穿透絕緣材料由光敏三極管接收到，進而產生電平信號[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，隨著發光二極管使用壽命的縮短，其在正常電流下的數據傳輸性能逐漸減弱。常見的光電耦合式隔離器一般用于數字隔離，對于模擬隔離場景不太適用。

2.1.2 電容式隔離

電容由兩塊導體和絕緣層構成，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，可滿足高效率傳輸的要求。此外，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，影響正常的數據傳輸[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用于功率傳輸場景。在變壓器中，2組線圈經過絕緣材料隔離，并通過電磁感應來傳輸信息，這一原理可應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的信號[10]。由于變壓器理論上可實現傳輸過程零損耗，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、功耗低等優點被更廣泛地應用于電源系統的電氣隔離模塊。

2.2 隔離電源轉換器類型

2.2.1 單端隔離式DC-DC轉換器

單端隔離式轉換器的主要缺點是功率只在開關管導通時間內輸入變壓器，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。（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。（4）就變壓器一次側電路而言，隔離式SEPIC變換器和Cuk變換器相同；對二次側電路說，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，對變壓器一次側電路而言，隔離式Zeta變換器和反激變換器相同；對二次側電路來說，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]。開關導通時，耦合電容釋放儲能，變壓器則釋放勵磁能量，反向磁化；當開關關斷時，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頻率。

2.2.2 雙端隔離式DC-DC轉換器

雙端隔離式DC-DC轉換器主要包括全橋式DC-DC轉換器、半橋式DC-DC轉換器以及推挽式DC-DC轉換器。其中，全橋式DC-DC轉換器是由4個開關管組成的網絡，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勢，全橋式DC-DC轉換器可很好地應用于功率傳輸大的設備中。此外，由于開關兩端電壓在穩定的電路中可控制在安全的范圍內，這使得全橋式DC-DC轉換器可在高電壓的場景中穩定、安全地運行。

在半橋式DC-DC轉換器中，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，因此比較適應于大功率或高壓場景中[13]。同時，半橋式DC-DC轉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開關和高側開關，因此橋式轉換器拓撲的開關控制信號應當設置恰當的死區時間。

推挽式DC-DC轉換器最大的優勢是電壓增益較高、電路損耗較低，且其結構相對其他轉換器更簡單，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用非常廣泛。然而由于開關導通時間和壓降的差異，經常存在變壓器偏磁的情況。進行開關控制時，感應電流會發生突變，從而在開關上產生一定的瞬態電壓，很容易就會擊穿開關，因此推挽式DC-DC轉換器中通常需要使用具有耐高壓性能的開關管。

3 DC-DC隔離電源模塊技術發展趨勢

（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備精細化加工的要求，設備中的模塊電源也被設計得越來越小，這就要求其電源模塊的輸出功率越來越高。模塊電源的開關頻率已經從kHz量級提升到了MHz量級，同時變壓器體積越來越小，電源系統的動態響應速度越來越快。此外，由于表面貼裝技術越來越成熟，模塊電源可被設計得越來越扁平，碳化硅等新材料的出現使得半導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）系統可靠性越來越高。由于部分電氣設備需要在高溫高壓、強磁干擾等極端環境中使用，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。由于磁隔離技術的廣泛應用，使得電源系統的環路穩定性獲得大大提升。

（3）磁性元件集成技術越來越成熟。由于模塊電源的開關頻率大大提升，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，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。在低壓大電流場合，小功率DC-DC模塊電源次級整流管的導通損耗占到系統損耗的很大比例，傳統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 論

本文介紹了DC-DC隔離電源模塊的主要特點，包括高隔離標準、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的工作原理，闡述了單端式和雙端式DC-DC隔離電源轉換器的結構及設計原理。