【導讀】除了防止電擊之外，DC/DC轉換器的隔離具有許多不同的用途。本文介紹了各種等級的隔離以及在常見的低功耗DC/DC轉換器中的應用。
盡管輸入輸出沒有隔離的DC/DC轉換器仍可使用，但許多使用內部變壓器將輸入和輸出隔離，這讓DC/DC轉換器有多種用途和功能。輸入和輸出浮地可以斷開接地回路以減少電氣系統中的噪聲，并可以自由選擇輸出極性，因此隔離屏障能形成重要的安全機制以防止電擊和減少故障造成的其他危害。
由于輸出與輸入隔離，因此輸入或輸出端的“零”參考電壓的選擇也是任意的。例如，具有5V輸出的隔離式DC/DC可用于改變電壓和極性（例如，-48V輸入有+5V輸出），可升高現有的電壓（例如，從+15V電源產生+20V）或從單電源轉成雙輸出（例如從+5V轉成±5V）。圖1顯示這些轉換功能。
圖1：不同的隔離式DC/DC轉換器的使用方式
隔離等級取決于隔離屏障的絕緣強度。對于DC/DC轉換器，最常用的類型如下：
● 功能 - 輸出是隔離的，但沒有電擊的保護
● 基本- 只要屏障完好無損，就能提供電擊保護
● 輔助 - 再增加一層屏障作為備用保護
● 增強- 相當于兩層基本絕緣的一層屏障
那么要如何將這些類型應用至實際的變壓器呢？
功能隔離
以功能隔離來說，變壓器初級和次級繞組通常直接纏繞在一起，絕緣的性能取決于線包漆的厚度（圖2）。這個方法的優點是可以生產低成本和小尺寸的變壓器，可以承受高達4kV的DC隔離電壓測試，但是持續時間有限并且不能重復測試。
圖2：具有功能隔離的環形鐵芯變壓器
功能隔離轉換器的常見應用于非隔離關鍵系統，隔離主要用于斷開接地回路，阻止傳導干擾路徑或為功能性接地提供參考電壓變化。在這些應用中，隔離失效時不會對設備造成傷害或嚴重損壞，但可能會讓電路停止運作。隔離提供了額外的防干擾安全措施及提高了可靠性，但這些與安全無關。
CAN總線數據通信系統是一個很好的例子。CAN總線規范中沒有規定必須隔離，但實際上隔離接口可以消除許多潛在的誤差或對數據傳輸的干擾。由于總線的兩端都是隔離的，因此信號發送器和接收器可以任意地放在不同的接地電位。差分總線拓撲結構會忽略任何電氣干擾，沒有外部磁場引起總線電流的危險。這就是為什么隔離式CAN總線系統經常用于重工業自動化工廠和生產流程。圖3是RECOM SMD DC/DC轉換器來提供隔離總線電源的評估板[1]。
圖3：隔離式CAN總線評估板
基本隔離
基本隔離等級要求初級或次級繞組之間要有絕緣保護，額定值為系統電壓。由于，絕緣漆包線有針孔，因此，僅用漆包線來達到基本隔離等級是不夠的。基本絕緣等級變壓器的輸入和輸出繞組不是直接相互纏繞，而是以最小距離或物理屏障分開，例如符合標準要求的絕緣膠帶（圖4）。
此方法也可用在尺寸較大的變壓器，因為有足夠的空間在繞組之間添加膠帶。
圖4：基本隔離線軸型變壓器
以緊湊型DC/DC轉換器來說，必須找到適合的基本隔離方法同時不會使變壓器變得太大。圖5是一個使用隔離擋墻來物理分隔繞組的變壓器。此外，鐵氧體磁環有塑料涂層，因此也與繞組分隔。RECOM的RxxPxx和RxxP2xx系列采用這種結構并使用SIP8封裝（19.5 x 12.5 x 9.8mm），生產測試結果最高可達6.4kVDC。
圖5：用隔離擋墻物理分隔的變壓器
還有另一種制造基本絕緣變壓器的方法，即密封磁芯。這種構造中的磁芯和一個繞組（通常是初級繞組）充滿環氧樹脂的塑料模中。安裝好蓋子之后，次級繞組通過中間的孔纏繞在整個結構上（圖6）。絕緣性能并非來自于變壓器的線包漆，而是來自于塑料模和環氧樹脂。生產過程要確保環氧樹脂和蓋子的質量和厚度滿足指定系統電壓下最低基本絕緣的要求。
圖6：灌封磁芯變壓器結構
RECOM的RP-xxxx系列采用這種結構并使在SIP7封裝（19.6 x 10.2 x 7mm）中提供額定值5.2kVDC隔離測試電壓。雖然制造過程比較復雜，但這種“封裝式核心”讓變壓器變得非常緊湊，且穩定的可靠絕緣性能不會隨著時間而惡化。因此RP系列成為RECOM產品中最可靠的高隔離型DC/DC轉換器，適用于軍用飛機或高壓測試設備等多種不同要求的應用。
增強隔離
通過加強隔離，輸入和輸出繞組以較大的距離或至少由兩個物理屏障分開，每個屏障等同于一層基本隔離等級（圖7）。
圖7：帶有基本和輔助絕緣層的增強型變壓器結構示例（如圖中粗黑線所示）
然而，多層絕緣會增加變壓器體積，限制了小型化的可能性。解決這個問題的一種方法是使用三層絕緣（TIW）變壓器線，因為這些線能夠提供加強絕緣。RECOM使用了這種線并成功設計出REM1系列DC/DC轉換器，轉換器采用SIP 7封裝，同時通過醫療認證符合IEC/EN/UL 60601-1安全標準，滿足每分鐘4 kVAC隔離、2 x MOPP和250 VAC工作電壓隔離的要求。
圖8：RECOM SIP 7封裝醫療級REM1 DC/DC轉換器
文獻 1. www.recom-power.com
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