微型隔離式直流/直流模塊如何實現(xiàn)更高的功率密度

引言 一種優(yōu)化汽車或工業(yè)設(shè)計的策略是縮小電源單元的尺寸，通過減少物理材料和分立元件的數(shù)量，在系統(tǒng)級別節(jié)省成本。

傳統(tǒng)的推挽式和反激式轉(zhuǎn)換器等隔離式輔助電源解決方案采用笨重、龐大且易受振動影響的變壓器，設(shè)計布局也因此變得復(fù)雜。帶有外部變壓器的隔離式輔助電源解決方案的設(shè)計也會影響性能效率，并會導(dǎo)致較高的輻射電磁干擾 (EMI)。

得益于變壓器設(shè)計方面的突破，集成電路設(shè)計人員能夠?qū)⒆儔浩骱凸杵骷耆傻揭粋€封裝中，從而顯著縮減隔離式直流/直流電源的高度和尺寸。終端用戶無需設(shè)計變壓器或降低系統(tǒng)性能，即可獲得小型輕量級的隔離式電源模塊，實現(xiàn)較高功率密度。

本文將介紹三個汽車和工業(yè)應(yīng)用的基本功能、隔離式直流/直流電源對這一功能的重要性，以及德州儀器的新型 UCC33420-Q1 電源模塊如何助力設(shè)計高效的隔離式直流/直流電源。

用于 BMS 的隔離式直流/直流電源

電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要功能是監(jiān)測電池包電壓、電池包電流和電芯電壓。為了符合安全標(biāo)準(zhǔn)，需要監(jiān)測高壓電池 (>60V) 漏電流以及總線和機箱接地之間的隔離電阻。隔離式直流/直流電源應(yīng)用于 BMS 的高壓和隔離診斷子系統(tǒng)中，為數(shù)字隔離器和電流傳感器提供隔離式電源。

如圖 1 所示，隔離式直流/直流電源輸入從安全電源管理集成電路獲取 5V 電源，轉(zhuǎn)而向電池斷連單元應(yīng)用高壓側(cè)的數(shù)字隔離器、電壓/電流傳感器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供 5V 輸出電源。

在使用單個電壓、電流和絕緣電阻監(jiān)測器的智能電池接線盒中，隔離式直流/直流電源向電池監(jiān)測器提供 5V 輸出電壓。與其他推挽式、分立式解決方案相比，集成變壓器技術(shù)的進步可實現(xiàn)更少的印刷電路板面積，進而優(yōu)化功率密度、減少系統(tǒng)物料清單 (BOM) 數(shù)量并加快產(chǎn)品上市速度。

圖 1 電池斷連單元系統(tǒng)框圖

電動汽車充電

汽車電氣化趨勢方興未艾，對可負(fù)擔(dān)性和縮短充電時間的需求也隨之增加?？s減電動汽車 (EV) 充電電源模塊的尺寸可以提高效率并降低總體系統(tǒng)成本。

如圖 2 所示，電動汽車充電站包含數(shù)據(jù)通信接口（例如控制器局域網(wǎng) RS-485 接口）和用于電壓和電流檢測的隔離式放大器，它們都需要隔離式直流/直流電源。為了縮短充電時間，必須提升功率輸出，這往往會增大系統(tǒng)整體尺寸。UCC33420-Q1 尺寸小巧，效率出色，可幫助您設(shè)計更高效的隔離式電源系統(tǒng)，同時節(jié)省整體布板空間。該器件在支持來自交流輸入線路的高電壓的同時，還可以將外部元件的數(shù)量減少多達(dá) 50%。

圖 2 電動汽車充電站系統(tǒng)框圖

PLC I/O 模塊

如圖 3 所示，高性能可編程邏輯控制器 (PLC) 系統(tǒng)在狹小空間內(nèi)包含了多個模塊。這些 PLC 系統(tǒng)使用集中式輸入/輸出 (I/O) 模塊與傳感器、螺線管和閥門進行通信。PLC 系統(tǒng)中的隔離式輔助電源必須尺寸小巧、具有出色的輸出電壓調(diào)節(jié)功能，并能夠減少 EMI 和電磁兼容性問題。高功率密度和輸出電壓精度也是常見要求。

UCC33420-Q1 采用 4mm x 5mm 超小型無引線封裝，可提供 1.5W 輸出功率，因此能夠為多個集成電路供電。在 VIN 為 3V 至 3.6V 和 4.5V 至 5.5V 時，UCC33420-Q1 無需后置穩(wěn)壓器或低壓降穩(wěn)壓器即可分別提供 5V 和 3.3V 輸出電壓，精度小于 ±3%。

圖 3 PLC 電壓和電流輸出模塊框圖

結(jié)語

在變壓器設(shè)計領(lǐng)域，在相同輸出功率級別下，UCC33420-Q1 的功率密度比分立式變壓器解決方案高 8.5 倍以上。與分立式變壓器解決方案相比，其他創(chuàng)新體現(xiàn)在解決方案尺寸減小 89% 以上、高度減小 75% 以上以及 BOM 數(shù)量減少一半。圖 4 對 UCC33420-Q1 與推挽式轉(zhuǎn)換器的尺寸進行了比較。

圖 4 UCC33420-Q1 隔離式直流/直流模塊與傳統(tǒng)推挽式轉(zhuǎn)換器的對比

UCC33420-Q1 將隔離電源變壓器、初級和次級側(cè)電橋以及控制邏輯集成到一個封裝中，能夠滿足更小、更輕的汽車和工業(yè)應(yīng)用的需求。

UCC33420-Q1 設(shè)計采用 EMI 優(yōu)化型變壓器，具有 3pF 的初級到次級電容，無需使用 EMI 濾波器即可滿足 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)。該器件還符合 CISPR 25 標(biāo)準(zhǔn)，具有更少的元件和更簡單的濾波器設(shè)計。