DCV01系列1-W，1500 Vrms隔离，非调节DC/DC转换器模块—DCV010505, DCV010505D, DCV010512, DCV010512D, DCV010515,DCV010

特征

•1.5-kVrms隔离（工作）

•UL1950认可组件

•EN55022 B级EMC性能

•7针PDIP和7针SOP封装

•设备到设备同步

•热保护

•短路保护

•5-V、15-V和24-V输入

•±5-V、±12-V和±15-V输出

•高效率

应用

•信号通路隔离

•接地回路消除

•数据采集

•工业控制和仪表

•测试设备

说明

DCV01系列是一系列1-W、1500 Vrms隔离、未调节的DC/DC转换器模块。DCV01系列设备需要最少的外部组件，包括片上设备保护，提供额外功能，如输出禁用和开关频率同步。

DCV01系列设备的特点和小尺寸的结合使其适用于广泛的应用，并且在需要信号路径隔离的应用中是一个易于使用的解决方案。

注意安全

本产品具有操作隔离功能，仅用于信号隔离。不得将其用作需要加强隔离的安全隔离电路的一部分。请参见中的定义特色说明.

典型特征

TA=25°C时（除非另有说明）

详细说明

概述

DCV01从5伏、15伏或24伏输入电源提供高达1瓦的隔离、不受调节的输出功率，典型效率高达86%。这种效率是通过高度集成的封装技术和定制的功率级和控制设备实现的。DCV01装置仅用于操作隔离。电路设计采用先进的BiCMOS和DMOS工艺。

功能框图

特性描述

隔离

保险商实验室™ 定义了现代电源中使用的几种隔离等级。

安全特低电压（SELV）由UL（UL1950 E199929）定义为二次电路，其设计和保护应确保在正常和单一故障条件下，任何两个可触及部件之间或可触及部件与设备接地端子之间的电压不超过稳态42.4 VRMS或60 VDC峰值。

操作或功能隔离

DCV01产品中使用的隔离类型称为操作或功能隔离。变压器施工中使用的绝缘导线作为主要隔离屏障。高电位（hipot），1秒持续时间试验（介电电压，耐压试验）是一种生产性试验，用于验证隔离栅是否正常工作。具有操作隔离的产品不得用作安全隔离系统中的元件。

基本隔离或增强隔离

基本隔离或增强隔离由电源一次电路和二次电路之间的指定爬电和间隙限制来定义。基本隔离是在变压器结构中除了使用绝缘导线外，还使用隔离屏障。输入和输出电路也必须按规定的距离进行物理隔离。

注意

DCV01产品不提供基本隔离或增强隔离。

工作电压

对于具有操作隔离的装置，正常运行时可施加在整个装置上的连续工作电压必须小于42.4 VRMS或60 VDC（SELV极限值）。

警告

如果超过SELV，请勿将该装置用作安全隔离系统的元件。

如果在隔离栅上连续施加超过42.4 VRMS或60 VDC的电压，则必须将隔离栅两侧的电路视为在不安全电压下运行，根据安全标准要求，进一步的隔离或绝缘系统必须在这些电路和任何用户可接近的电路之间形成屏障。

隔离电压额定值

术语Hipot测试、闪光测试、耐压、验证电压、介电耐压和隔离测试电压都与同一件事有关。这些术语描述了在部件上施加一定时间的试验电压，以验证部件隔离栅的完整性。德州仪器的DCV01系列直流-直流转换器均在1.5 kVrms下进行100%生产测试，持续1秒。

重复高压隔离试验

根据材料、结构和环境的不同，屏障组件的重复高压隔离测试会降低隔离性能。DCV01系列dc-dc转换器具有环形漆包线隔离变压器，一次绕组和二次绕组之间没有附加绝缘。虽然一个装置可以承受几倍于规定的试验电压，但绝缘能力取决于导线绝缘。任何材料，包括搪瓷（通常是聚氨酯），在承受很高的外加电压时，都容易发生最终的化学降解。因此，严格限制高压试验和重复高压隔离试验的次数。但是，如果绝对需要，将电压从规定的试验电压降低20%，每次试验的持续时间限制为1秒。

功率级

DCV01系列设备使用推挽式中心抽头拓扑结构。DCV01设备以400 kHz（800 kHz振荡器除以2）切换。

振荡器和看门狗电路

板载800 kHz振荡器通过除以2电路产生开关频率。振荡器可以与其他DCV01设备电路或外部电源同步，并用于最小化系统噪声。

看门狗电路监视振荡器电路的操作。振荡器可以通过拉低同步引脚来禁用。当同步管脚变低时，输出管脚转换为三态模式，在2μs内发生。

热关机

DCV01系列设备由热关机电路保护。

如果片上温度上升到150°C以上，设备将关闭。当温度降至150°C以下时，将恢复正常运行。当超温状态继续时，操作会随机循环打开和关闭。此循环持续到温度降低。

同步

当船上需要一个以上的DC/DC转换器时，会产生拍频和其他电气干扰。这种干扰是由于DC/DC变换器之间开关频率的微小变化而产生的。

DCV01系列设备通过允许设备彼此同步来克服这种干扰。通过连接每个设备的同步管脚来同步多达8个设备，注意尽量减少跟踪电容。杂散电容（大于3pF）会降低开关频率，有时会使振荡器电路停止工作。建议施加在同步引脚上的最大电压为3 V。

对于使用8个以上同步设备的应用程序，请使用外部设备来驱动同步管脚。DCP01/02系列FDC/DC转换器（SBAA035）的外部同步描述了这种配置。

注意

在启动期间，所有同步设备同时从输入端吸取最大电流。如果输入电压低于约4 V，则设备可能无法启动。陶瓷电容器必须连接在每个设备的输入引脚附近。对于5V和15V输入设备，使用2.2-μF电容器；对于24V设备，使用0.47-μF电容器。

施工

DCV01系列器件的基本结构与标准集成电路相同。模压包装不含基材。DCV01系列设备采用集成电路、整流二极管和引线框架上的绕线磁环构建而成。由于该封装不含焊料，因此该器件不需要任何特殊的印刷电路板（PCB）组装加工。这种结构使得隔离DC/DC变换器具有固有的高可靠性。

热管理

由于该设备的高功率密度，建议在输入和输出轨道上提供接地层。

设备功能模式

禁用和启用（SYNCIN引脚）

每个DCV01系列设备都可以通过使用开漏CMOS门驱动SYNCIN引脚来禁用或启用。如果SYNCIN引脚被拉低，DCV01将被禁用。失效时间取决于外部载荷。内部禁用功能在2μs内实现。移除下拉菜单将使DCV01启用。

SYNCIN引脚上的电容性负载必须最小化（≤3 pF），以防止振荡器频率降低。DCP01/02系列FDC/DC转换器（SBAA035）的外部同步描述了禁用/启用控制电路。

去耦

纹波抑制

400kHz的高开关频率允许简单的滤波。为了减少纹波，TI建议在+VOUT引脚上至少使用1-μF电容器。对于双输出设备，将两个输出解耦到COM引脚。所需的2.2-μF、低ESR陶瓷输入电容也有助于减少纹波和噪声（24-V输入电压版本只需要0.47μF的输入电容）。请参阅DC-to-DCConverterNoiseReduction（SBVA012）。

串联DCV01

多个DCV01设备可串联连接，以提供非标准电压轨。通过使用DCV01的电流隔离提供的浮动输出，可以实现这种配置。

将+VOUT从一个DCV01连接到另一个DCV01的–VOUT（见图27）。如果SYNCIN引脚连接在一起，DCV01的自同步特性可以防止电压轨上的拍频。DCV01的同步特性允许无需外部过滤即可轻松串联，从而将成本降至最低。

双输出DCV01的输出也可以串联，以提供两倍于+VOUT的幅度，如图28所示。例如，连接双输出，15-V，DCP012415D设备，以提供30-V导轨。

并联连接DCV01

如果一个DCV01的输出功率不足，可以将多个DCV01的输出并联，如图29所示（仅适用于单个输出设备）。同步功能允许轻松同步，以防止电力轨拍频，而无需额外的滤波成本。

应用与实施

注意

以下应用章节中的信息不是TI组件规范的一部分，TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件的适用性。客户应验证和测试其设计实现，以确认系统功能。

申请信息

DCV01设备从5-V、15-V或24-V输入电源提供高达1W的隔离、非调节输出功率。需要高达1.5千伏rms操作隔离的应用程序得益于DCV01系列设备的小尺寸和易用性。

典型应用

设计要求

对于本设计实例，使用表1中列出的参数，并遵循详细设计程序中的程序。

详细设计程序

输入电容器

对于所有5 V和15 V输入电压设计，选择2.2-μF低ESR陶瓷输入电容器，以确保良好的启动性能。24 V输入应用只需要0.47-μF的输入电容。

输出电容器

对于任何DCV01设计，选择1-μF低ESR陶瓷输出电容器，以减少输出纹波。

同步在别针

在独立应用程序中，保持SYNCIN引脚浮动。

PCB设计

铜损耗（电阻和电感）可以通过使用宽接地和功率轨迹或平面来最小化。如果多个设备由同一电源供电，则必须使用星形连接布局。设备输入不能串联，因为这将串联电阻损耗。为了减少损耗，去耦电容器的位置很重要。将去耦电容器尽可能靠近设备。有关更多详细信息，请参阅PCB布局。

去耦陶瓷电容器

由于内部等效串联电阻（ESR）和较小程度上的等效串联电感（ESL），所有电容器都有损耗。ESL的值并不总是容易获得的。然而，一些制造商提供了频率与电容器阻抗的图表。这些图通常显示电容器阻抗随着频率的增加而下降（如图31所示）。在图31中，XC是电容引起的电抗，XL是ESL引起的电抗，f0是谐振频率。随着频率的增加，阻抗停止下降并开始上升。最小阻抗点表示电容器的谐振频率。这个频率是电容和电感电抗的分量相等的地方。超过这一点，电容器就不再是有效的电容器了。

在f0处，XC=XL；但是，存在180°相位差，导致虚分量被抵消。其结果是谐振点处的阻抗是复阻抗的实部，即ESR值。谐振频率必须远高于设备的800 kHz开关频率。

电渣重熔的作用是在电容器内引起电压降。这个电压降的值只是ESR和瞬时负载电流的乘积，如等式1所示。

式中

•VIN是装置输入端的电压

•VPK是充电期间电容器上的最大电压值

•ITR是瞬态负载电流

另一个影响性能的因素是电容值。然而，对于输入和全波输出（单输出电压器件），ESR是主要因素。

输入电容和电渣重熔的影响

如果输入去耦电容器不是陶瓷（ESR大于20 mΩ），那么在功率晶体管接通的瞬间，输入引脚上的电压瞬间下降。如果电压降至约4 V以下，DCV01检测到欠压情况，并将DCV01驱动电路切换至瞬时断开状态。执行此检测是为了预防真正的低输入电压情况，这种情况可能会减慢甚至停止内部电路的正常工作。减速或停止会导致驱动晶体管开启时间过长，导致变压器饱和和设备损坏。

在检测到低输入电压条件后，设备关闭内部驱动电路，直到输入电压恢复到安全值，此时设备尝试重新启动。如果输入电容器仍然无法维持输入电压，则再次关闭。这个过程重复进行，直到输入电容器充足电以正确启动设备。

正常启动必须在设备通电后大约1毫秒内进行。如果遇到相当长的启动持续时间，则很可能是输入电源或电容器之一（或两者）性能不佳。

对于5-V至15-V输入设备，2.2-μF、低ESR陶瓷电容器可确保良好的启动性能。对于24 V输入电压设备，TI建议使用0.47-μF陶瓷电容器。不建议使用钽电容器，因为大多数钽电容器的ESR值不低，会降低性能。如果必须使用钽电容器，设计者必须密切注意供应商降低的ESR和电压。

注意

在启动期间，这些设备可能会从输入电源中吸取最大电流。如果输入电压低于约4 V，则设备可能无法启动。在输入引脚附近连接一个2.2-μF陶瓷电容器。

纹波和噪声

一个高质量，低ESR陶瓷电容器放置在尽可能靠近输入端的地方，减少了反射纹波，并确保平稳启动。

一个高质量，低ESR陶瓷电容器放置在尽可能靠近整流器输出端和输出地的地方，可提供最佳的纹波和噪声性能。

输出纹波计算示例

下面的例子表明，增加电容对输出纹波电压的影响要比减小滤波电容器的ESR值小得多。

要计算DCV010505设备的输出纹波：

•VOUT = 5 V

• IOUT = 0.2 A

•在全输出功率下，负载电阻为25Ω

•输出电容为1μF，ESR为0.1Ω

•电容器放电时间为800 kHz的1%（纹波频率）

•tDIS=0.0125μs

•τ=C×RLOAD

•τ=1×10-6×25=25μs

•VDIS=VO（1–EXP（–tDIS/τ））

•VDIS=2.5mV

相比之下，由于ESR，电压下降：

•VESR=ILOAD×ESR

•VESR=0.2×0.1=20mV

•纹波电压=22.5 mV

双DCV01输出电压

双DCV01装置的电压输出为半波整流；因此，放电时间为1.25μs。使用50Ω（每个输出0.1 A）的100%负载电阻重复前面的计算，结果如下：

•τ=50μs

•tDIS=1.25μs

•VDIS=123mV

•VESR=0.1×0.1=10mV

•纹波电压=133 mV

在这个例子中，是电容器放电造成了纹波的最大分量。将输出滤波器改为10μF，并重复计算，结果是纹波电压为22.3 mV。

该值由几乎相等的分量组成。

前面的计算仅供参考。电容器参数通常具有较大的公差，并且容易受到环境条件的影响。

优化性能

只有正确地支持设备，才能获得最佳性能。开关变换器的本质要求电源在接通时立即可用。如果转换器有DMOS开关晶体管，则快边会在输入电源上产生高电流需求。施加在输入端的瞬态负载由外部输入去耦电容器提供，从而维持输入电压。因此，输入电源不会经历这种瞬态（这类似于高速数字电路）。电容器的位置至关重要，必须尽可能靠近输入引脚，并通过低阻抗路径连接。

最佳性能主要取决于两个因素：

•连接输入和输出电路，以实现最小损耗。

•去耦电容器保持输入和输出电压恒定的能力。

应用曲线

电源建议

DCV01是开关电源，因此可以对输入电源施加高峰值电流需求。为了避免电源在快速开关脉冲期间瞬间下降，必须使用接地和电源平面将电源连接到DCV01的输入端。如果这种连接是不可能的，那么电源必须连接成一个星状结构，并尽可能宽地留下痕迹。

布局

布局指南

由于这些设备的高功率密度，在输入和输出上提供接地层。

图34显示了两个DCV01设备的示意图。图35和图36显示了两个通孔PDIP设备的典型布局。

输入电源和接地板为输入电源提供低阻抗路径。对于输出，COM信号通过接地层连接，而正电压和负电压输出的连接通过宽轨迹进行，以将损耗降至最低。

必须使用地面和电源平面从设备获取输出，从而确保最小的损耗。

去耦电容器的位置靠近其各自的引脚，以确保由于杂散电感的影响而产生的低损耗，从而提高了纹波性能。这个位置对输入去耦电容器特别重要，因为这个电容器提供与功率驱动电路的快速开关波形相关的瞬态电流。

允许未使用的同步管脚保持配置为浮动焊盘。建议放置一个护环（连接到输入接地）或围绕该引脚连接的环形空间，以避免任何噪音拾取。当一个同步管脚连接到一个或多个同步器时，设计的连接轨迹要短而窄，以避免杂散电容。确保没有其他记录道靠近此记录道同步记录道，以减少该管脚上的杂散电容。杂散电容影响振荡器的性能。

布局示例

设备命名