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無需光耦的隔離型返馳式DC/DC轉換器 Part 1

無需光耦的維護保養
小型且易於設計

Keyword
  • 隔離型返馳式轉換器
  • 光耦
  • 變壓器
  • 輔助繞組
  • 三級繞組
  • 元件數量
  • 電路設計
  • 電路規模
  • 光耦的壽命
  • 維護保養成本

ROHM研發出無需利用二次側的輸出電壓回饋即可穩定輸出的隔離型返馳式DC/DC轉換IC。隔離型返馳式轉換器多用於FA設備和工業設備的電源,為絕緣回饋路徑而使用光耦或變壓器的輔助繞組。然而,光耦與其他組成元件相比壽命較短,因此課題之一就是維護保養。新產品“BD7F系列”無需使用光耦或輔助繞組即可穩定輸出,同時具有“小型化、設計簡化、具備傳統返馳式轉換器無法實現的穩定性和瞬態回應特性”的特點。針對“BD7F系列”的詳細資訊,我們採訪了ROHM株式會社的應用工程師今村 洋壽先生。

-聽說此次推出的“BD7F系列”,是不使用光耦的隔離型返馳式轉換IC。首先請介紹一下本系列產品的研發理念。

“BD7F系列”是以“解決傳統的隔離型返馳式轉換器存在的課題”為目的研發的。課題有幾個,為便於理解這些課題,先介紹一下傳統的隔離型返馳式轉換器的電路結構。

一般隔離型返馳式轉換器為了使輸出穩定,需要將二次側的輸出電壓回饋到一次側的控制電路。這種通過回饋環路實現輸出穩定化的做法是穩定化電源的基本控制方法,與轉換器的方式和絕緣、非絕緣無關。

隔離型返馳式轉換器具有輸入和控制電路的一次側和輸出的二次側是通過變壓器絕緣的,但如果將二次側的輸出通過佈線直接回饋到一次側的話,二次側和一次側會導通,無法構成絕緣電源。而保持絕緣需要將回饋路徑絕緣,一般採取添加絕緣元件光耦、或給變壓器添加輔助繞組(也稱為“三級繞組”)的方法。

右側的電路圖為上端由光耦、下端由輔助繞組構成的回饋路徑絕緣示意圖。就像前面說明的一樣,輸出VOUT的電壓經由光耦回饋到控制IC的FB引腳。在這個電路中,除了光耦還需要幾個電阻、電容、分路穩壓器(電壓基準),而且還需要光耦的集極極電源。在這種情況下,元件數量增加,還需要電路設計。

下面使用輔助繞組的例子中,首先需要準備具有輔助繞組的變壓器,基本上是需要變壓器設計的。另外還需要整流用的電容和二極體,還有電阻。由於增加了1個繞組,變壓器體積當然會變大。

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-的確,感覺設計很麻煩。

總之,傳統方式存在需要添加元件和電路設計、電路規模也增大的課題。

另外還有一個非常大的課題。就是光耦與其他元件相比,屬於壽命較短的元件。實際上發光二極體也會發光,產生稱為“aging”或“燒損”的老化現象,無法正常發揮其功能。也就是壽命耗盡。IC的話,基本上沒有耗盡原本壽命的情況。因為IC具有遠遠超出耐用年數的壽命。聽說近年來的光耦也在致力於改善這個課題,但不同的製造商和品種其光耦的壽命也不盡相同。

-具體的壽命是多長呢?

這是個很難回答的問題。因為使用條件不同壽命也不同,不能一概而論。反而考慮到流動的電流、使用溫度和稼動率等因素,確保例如“工作壽命10年”的設計可能比較多。但是,也不都是出於這樣考慮的設計,還有考慮到光耦本身的壽命、與成本等的關係等的諸多設計。

-姑且不談實際上是否10年,假如是10年左右的壽命的話,比如在耐用年數較長的工業設備等中會產生什麼問題呢?

這是非常關鍵的要點。很明顯,與IC等相比壽命較短,這可能是稍微極端的說法,即“使用光耦的絕緣電源的壽命難免只能是光耦的壽命”。

-這樣還真讓人很作難,或者說這樣可以嗎?

當然不好。誰都希望設備儘量長時間地工作。不過,目前的做法是根據預計壽命進行維護、也就是保養。多數是在進入可靠性的浴盆曲線所示的磨耗故障期之前進行更換。僅更換光耦是比較罕見的。電源如果是模組或單元,應該是按模組或單元進行更換的。

-所以BD7F系列最大的亮點就是“無需光耦”吧。

元件數量減少、設計更簡單具有包括成本方面在內的諸多優勢,但延長電源的壽命,可使維護保養的間隔更長、維護保養成本更低,這是比其他優勢都重要的最大亮點。這在耐用年數較長的工業設備等中,可能比單單延長耐用年數還要重要。只要能理解這一點,就能認識到本系列產品的優勢所在。

-使用BD7F系列的隔離型返馳式轉換器的電路結構是怎樣的?

請看右側的電路圖。我想甚至無需和前面的傳統方式相比較來看。作為電路,向FB引腳的回饋經由變壓器的一次側繞組,僅插入了1枚電阻。如圖所示,沒有從二次側的回饋路徑,因此必然不存在傳統方式所需的用來絕緣的光耦或輔助繞組。

BD7F

-僅看電路圖的話,好像是不穩定的絕緣電源,那麼穩定性如何呢?

當然很穩定。

(接Part 2)

無需光耦的隔離型返馳式DC/DC轉換器 Part 2

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