增强型DC/DC隔离变压器

变压器隔离等级

根据爬电距离与电气间隙的这些定义，UL定义了满足以下三种隔离等级所需的最小间距：

表1：隔离等级定义(数据来源：UL 60950 2nd Ed., Table XVI)

从表1我们可以看到，用于电信应用的DC/DC转换器(输入电压为36VDC至75VDC)要求最小隔离电气间隙为0.7mm可满足基本型隔离，最小隔离电气间隙为2.4mm可满足增强型隔离的条件。对于爬电距离，对应的数据分别为1.3mm和4.6mm。

在较高工作电压下，针对相同隔离等级的爬电距离和电气间隙要求较高。因此增强型隔离意味着变压器必须具有至少5mm的电气间隙，但是12VAC供电的变压器在不到该电气间隙的三分之一时也可以实现增强型隔离等级。

根据这个表中的信息可以确定对于每个应用和隔离等级而言，输入和输出绕组的间距必须为多少。

增强型隔离

鉴于业界标准小功率DC/DC转换器采用DIP24框架，其外径尺寸在32mm x 20mm x 10mm左右，因此几乎所有的DC/DC转换器最多具有功能隔离或者基本型隔离。具有4.6mm以上爬电距离的变压器不可能适合高度仅10mm的框架。

然而尽管这种间距要求似乎不可能实现，但是Recom的工程师最终仍然开发出了符合增强型隔离要求的DIP24 DC/DC转换器。

图3：REC3.5(增强型隔离——右图)与REC3(功能隔离——左图)的比较。

请注意较高隔离所需的变压器和光电耦合器尺寸较大，但是总框架尺寸和引脚分布相同。

图左边的标准转换器采用带功能隔离的绕线管式变压器。图右边的增强型隔离转换器则采用全新(专利正在审理之中)的变压器结构，这种结构可确保2.4mm的最小电气间隙。图中的黄色塑料薄膜可确保4.6mm的最小爬电距离。

此变压器采用带多层绝缘和隔离栅的内置结构来满足要求。

图4：增强型隔离变压器结构。

以前曾经尝试过开发带增强型隔离的紧凑型变压器，但并未取得成功。原因在于：如果变压器内部的电场和磁场的物理位置没有紧密相连的话，变压器的效率就会降低。如果绕组之间存在较大的气隙，那么电场转化成磁场，磁场再转化成电场的传输比就会大幅降低。但是为了满足增强型隔离的要求，输入和输出绕组之间必须有间隙和物理屏障。因此尽管类似于上图所示的变压器设计能够满足隔离要求，但是由于转换效率太低的缘故，这些设计在实际中一般并未被采用在DC/DC转换器的变压器中。

标准的功能隔离DC/DC转换器具有84%左右的典型功率转换效率。这意味着额定功率为3W的转换器在满负荷情况下会耗费3.6W的功率。输入功率与输出功率之间的600mW差值是以散热的形式消耗的内部功率。转换器在工作时发热。在高环境温度下，内部功耗限制了转换器的最高工作温度。如果转换器采用的是低效率变压器(比如75%)，那么内部功耗将增加至1W。这会显著降低最高工作温度。效率为84%的典型DIP24转换器的最高工作温度为+85°C，但是效率为75%的转换器的最高工作温度仅+71°C。由于DC/DC转换器的工业温度范围高达85°C，因此效率仅75%的转换器将会被许多工业用户拒之门外。