德州儀器DCPA1系列1W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊是極為常見(jiàn)且關(guān)鍵的元件。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）的DCPA1系列1W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，看看它有哪些獨(dú)特之處，又能在哪些應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。

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一、產(chǎn)品概述

DCPA1系列是一系列1W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，從5V輸入源可提供高達(dá)1W的隔離非穩(wěn)壓輸出功率，典型效率高達(dá)87%。這種高效率得益于高度集成的封裝技術(shù)以及定制功率級(jí)和控制設(shè)備的實(shí)施。該系列器件僅適用于操作隔離，其電路設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的BiCMOS和DMOS工藝。

二、產(chǎn)品特性

（一）隔離特性

1. 操作或功能隔離：通過(guò)高壓測(cè)試定義，通常以變壓器中使用的絕緣線作為主要隔離屏障。生產(chǎn)中會(huì)進(jìn)行1秒的高壓測(cè)試（介電耐壓測(cè)試），以驗(yàn)證隔離屏障是否正常工作。但需注意，具有操作隔離的產(chǎn)品絕不能用作安全隔離系統(tǒng)的元件。
2. 基本或增強(qiáng)隔離：由電源初級(jí)和次級(jí)電路之間指定的爬電距離和電氣間隙限制來(lái)定義。除了變壓器中的絕緣線，還使用隔離屏障，并且輸入和輸出電路必須按指定距離物理分隔。
3. 連續(xù)電壓：對(duì)于沒(méi)有特定安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證（操作隔離）的設(shè)備，正常運(yùn)行時(shí)可施加在部件上的連續(xù)電壓小于42.4VRMS或60VDC。要確保輸入和輸出電壓都保持在正常的安全特低電壓（SELV）限制內(nèi)。
4. 隔離電壓：TI的DCPA1系列DC/DC轉(zhuǎn)換器在生產(chǎn)時(shí)都會(huì)進(jìn)行1.5kVAC的1秒耐壓測(cè)試。不過(guò)，反復(fù)對(duì)隔離部件進(jìn)行高壓隔離測(cè)試可能會(huì)降低其隔離能力，因此要嚴(yán)格限制高壓測(cè)試的次數(shù)。

（二）其他特性

1. 軟啟動(dòng)：該系列器件具備軟啟動(dòng)功能，可防止上電時(shí)產(chǎn)生高浪涌電流。輸入電源施加后，輸出電壓開(kāi)始上升前會(huì)有一個(gè)典型為10ms的延遲，輸出電壓開(kāi)始上升后，軟啟動(dòng)時(shí)間通常為5ms。
2. 頻率同步：當(dāng)板上需要多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，DCPA1系列允許設(shè)備同步到外部時(shí)鐘，從而克服因開(kāi)關(guān)頻率小變化而產(chǎn)生的拍頻和其他電氣干擾。SYNC IN引腳響應(yīng)外部時(shí)鐘的上升沿，若外部時(shí)鐘移除，器件將返回內(nèi)部振蕩器的頻率。若該引腳未使用，建議將其連接到輸入側(cè)公共端 -VS。
3. 熱保護(hù)：當(dāng)片上溫度高于150°C時(shí)，器件會(huì)關(guān)閉，溫度降至150°C以下后恢復(fù)正常運(yùn)行。在過(guò)熱狀態(tài)持續(xù)期間，器件會(huì)隨機(jī)循環(huán)開(kāi)關(guān)，直至溫度降低。
4. 短路保護(hù)：為防止輸出短路，DCPA1系列器件內(nèi)置了典型值為1.75A的電流限制保護(hù)閾值。但不建議在超過(guò)器件輸出電流額定值的情況下使用，對(duì)于部分短路情況，建議使用輸入或輸出保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)。

三、技術(shù)參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

輸入電壓 +VS 的范圍為 -0.5V 至 6V，50ns 瞬態(tài)時(shí)為 -1.0V 至 7V；SYNCIN 引腳電壓范圍為 -0.5V 至 +VS，50ns 瞬態(tài)時(shí)為 -1.0V 至 6V；引線焊接溫度（10s）最大為 260°C；存儲(chǔ)溫度范圍為 -60°C 至 125°C。

（二）ESD 額定值

人體模型（HBM）靜電放電電壓為 +1000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 +250V。

（三）推薦工作條件

輸入電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，輸出功率范圍為 0.05W 至 1W，工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 100°C。

（四）電氣特性

不同型號(hào)的輸出功率最大可達(dá) 1W，輸出電流如 DCPA10505 為 200mA 等。輸出電壓有 ±5V、±12V、±15V 等多種選擇，在不同負(fù)載和溫度條件下，輸出電壓的穩(wěn)定性、紋波、效率等參數(shù)都有相應(yīng)的規(guī)定。例如，輸出電壓紋波在 COUT = 1μF、IOUT = 50% 時(shí)最大為 20mVPP，效率在 IOUT = 100% 時(shí)，DCPA10505 和 DCPA10505D 為 85%，DCPA10512 為 87%，DCPA10512D 為 88%，DCPA10515 和 DCPA10515D 為 86%。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

（一）信號(hào)路徑隔離和接地環(huán)路消除

該系列器件的隔離特性使其非常適合用于信號(hào)路徑隔離和消除接地環(huán)路，能有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力和信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（二）數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制與儀表

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)控制與儀表領(lǐng)域，對(duì)電源的穩(wěn)定性和隔離性要求較高，DCPA1系列可以滿足這些需求，確保系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠地運(yùn)行。

（三）測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備需要高精度和穩(wěn)定的電源，DCPA1系列的高性能和多種保護(hù)功能使其成為測(cè)試設(shè)備電源的理想選擇。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）紋波降低

425kHz的高開(kāi)關(guān)頻率允許簡(jiǎn)單濾波。為降低輸出電壓紋波，建議在 +Vout 引腳使用至少 1μF 的電容。對(duì)于雙輸出設(shè)備，要將兩個(gè)輸出都與 COM 引腳去耦。所需的2.2μF低ESR陶瓷輸入電容也有助于減少紋波和噪聲。

（二）串聯(lián)連接

1. 多個(gè)單輸出器件串聯(lián)：多個(gè)DCPA1隔離式1W DC/DC轉(zhuǎn)換器可以串聯(lián)連接，以提供非標(biāo)準(zhǔn)電壓軌。通過(guò)將一個(gè)DCPA1的 +Vout 連接到另一個(gè)的 -VOUT 即可實(shí)現(xiàn)。同步功能可輕松同步，避免電源軌拍頻，且無(wú)需額外的濾波成本。
2. 雙輸出器件串聯(lián)：雙輸出DCPA1器件的輸出也可以串聯(lián)，以提供兩倍于 +VOUT 幅值的電壓。例如，將雙輸出 ±15V 的 DCPA10515D 器件連接可提供30V的電壓軌。

   （三）并聯(lián)連接

   當(dāng)一個(gè)DCPA1的輸出功率不足時(shí)，可以將多個(gè)DCPA1的輸出并聯(lián)。同樣，同步功能可避免電氣干擾。

六、設(shè)計(jì)建議

（一）電源供應(yīng)

DCPA1是開(kāi)關(guān)電源，會(huì)對(duì)輸入電源產(chǎn)生高峰值電流需求。為避免在快速開(kāi)關(guān)脈沖期間電源瞬間下降，應(yīng)盡可能使用接地和電源平面將電源連接到DCPA1設(shè)備的輸入。若無(wú)法實(shí)現(xiàn)，應(yīng)采用星形連接系統(tǒng)，并使走線盡可能寬。

（二）布局設(shè)計(jì)

1. 平面和走線：由于這些設(shè)備的功率密度高，應(yīng)在輸入和輸出軌上提供接地平面。盡可能使用公共接地和電源平面來(lái)減少銅損（電阻和電感），若無(wú)法實(shí)現(xiàn)，使用寬走線來(lái)降低損耗。若多個(gè)設(shè)備由同一電源供電，應(yīng)采用星形連接系統(tǒng)的走線，避免串聯(lián)連接，因?yàn)檫@種連接會(huì)級(jí)聯(lián)電阻損耗。
2. 去耦電容：去耦電容的位置很重要，必須盡可能靠近設(shè)備，以減少損耗。特別是輸入去耦電容，它為功率驅(qū)動(dòng)電路的快速開(kāi)關(guān)波形提供瞬態(tài)電流。
3. 引腳處理：若 SYNC IN 引腳未使用，建議將其連接到輸入側(cè)公共端 -VS；SWOUT 引腳應(yīng)保持為浮動(dòng)焊盤，不要從該引腳拉電流，也不要直接連接電容到該引腳，且該引腳與 SYNC IN 引腳不兼容，不能連接在一起。

七、總結(jié)

德州儀器的DCPA1系列1W隔離式非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊具有高效、隔離性好、功能豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分考慮其特性和參數(shù)，合理進(jìn)行應(yīng)用和布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肈CPA1系列器件時(shí)提供一些有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。