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来自工程师的声音

无需光耦的隔离型反激式DC/DC转换器 Part 1

无需光耦的维护保养
小型且易于设计

关键词
  • 隔离型反激式转换器
  • 光耦
  • 变压器
  • 辅助绕组
  • 三级绕组
  • 元器件数量
  • 电路设计
  • 电路规模
  • 光耦的寿命
  • 维护保养成本

ROHM开发出无需利用二次侧的输出电压反馈即可稳定输出的隔离型反激式DC/DC转换器IC。隔离型反激式转换器多用于FA设备和工业设备的电源,为绝缘反馈路径而使用光耦或变压器的辅助绕组。然而,光耦与其他组成元器件相比寿命较短,因此课题之一就是维护保养。新产品“BD7F系列”无需使用光耦或辅助绕组即可稳定输出,同时具有“小型化、设计简化、具备传统反激式转换器无法实现的稳定性和瞬态响应特性”的特点。针对“BD7F系列”的详细信息,我们采访了ROHM株式会社的应用工程师今村 洋寿先生。

-听说此次推出的“BD7F系列”,是不使用光耦的隔离型反激式转换器IC。首先请介绍一下本系列产品的开发理念。

“BD7F系列”是以“解决以往的隔离型反激式转换器存在的课题”为目的开发的。课题有几个,为便于理解这些课题,先介绍一下以往的隔离型反激式转换器的电路结构。

一般隔离型反激式转换器为了使输出稳定,需要将二次侧的输出电压反馈到一次侧的控制电路。这种通过反馈环路实现输出稳定化的做法是稳定化电源的基本控制方法,与转换器的方式和绝缘、非绝缘无关。

隔离型反激式转换器具有输入和控制电路的一次侧和输出的二次侧是通过变压器绝缘的,但如果将二次侧的输出通过布线直接反馈到一次侧的话,二次侧和一次侧会导通,无法构成绝缘电源。而保持绝缘需要将反馈路径绝缘,一般采取添加绝缘元件光耦、或给变压器添加辅助绕组(也称为“三级绕组”)的方法。

右侧的电路图为上端由光耦、下端由辅助绕组构成的反馈路径绝缘示意图。就像前面说明的一样,输出VOUT的电压经由光耦反馈到控制IC的FB引脚。在这个电路中,除了光耦还需要几个电阻、电容器、分路调节器(电压基准),而且还需要光耦的集电极电源。在这种情况下,元器件数量增加,还需要电路设计。

下面使用辅助绕组的例子中,首先需要准备具有辅助绕组的变压器,基本上是需要变压器设计的。另外还需要整流用的电容器和二极管,还有电阻。由于增加了1个绕组,变压器体积当然会变大。

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-的确,感觉设计很麻烦。

总之,以往方式存在需要添加元器件和电路设计、电路规模也增大的课题。

另外还有一个非常大的课题。就是光耦与其他元器件相比,属于寿命较短的元器件。实际上发光二极管也会发光,产生称为“aging”或“烧损”的老化现象,无法正常发挥其功能。也就是寿命耗尽。IC的话,基本上没有耗尽原本寿命的情况。因为IC具有远远超出耐用年数的寿命。听说近年来的光耦也在致力于改善这个课题,但不同的制造商和品种其光耦的寿命也不尽相同。

-具体的寿命是多长呢?

这是个很难回答的问题。因为使用条件不同寿命也不同,不能一概而论。反而考虑到流动的电流、使用温度和稼动率等因素,确保例如“工作寿命10年”的设计可能比较多。但是,也不都是出于这样考虑的设计,还有考虑到光耦本身的寿命、与成本等的关系等的诸多设计。

-姑且不谈实际上是否10年,假如是10年左右的寿命的话,比如在耐用年数较长的工业设备等中会产生什么问题呢?

这是非常关键的要点。很明显,与IC等相比寿命较短,这可能是稍微极端的说法,即“使用光耦的绝缘电源的寿命难免只能是光耦的寿命”。

-这样还真让人很作难,或者说这样可以吗?

当然不好。谁都希望设备尽量长时间地工作。不过,目前的做法是根据预计寿命进行维护、也就是保养。多数是在进入可靠性的浴盆曲线所示的磨耗故障期之前进行更换。仅更换光耦是比较罕见的。电源如果是模块或单元,应该是按模块或单元进行更换的。

-所以BD7F系列最大的亮点就是“无需光耦”吧。

元器件数量减少、设计更简单具有包括成本方面在内的诸多优势,但延长电源的寿命,可使维护保养的间隔更长、维护保养成本更低,这是比其他优势都重要的最大亮点。这在耐用年数较长的工业设备等中,可能比单单延长耐用年数还要重要。只要能理解这一点,就能认识到本系列产品的优势所在。

-使用BD7F系列的隔离型反激式转换器的电路结构是怎样的?

请看右侧的电路图。我想甚至无需和前面的以往方式相比较来看。作为电路,向FB引脚的反馈经由变压器的一次侧绕组,仅插入了1枚电阻。如图所示,没有从二次侧的反馈路径,因此必然不存在以往方式所需的用来绝缘的光耦或辅助绕组。

BD7F

-仅看电路图的话,好像是不稳定的绝缘电源,那么稳定性如何呢?

当然很稳定。

(接Part 2)

无需光耦的隔离型反激式DC/DC转换器 Part 2

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