MPQ0125V3NBMC：高效隔离 DC/DC 转换器的深度解析

在电子设计领域，DC/DC 转换器是不可或缺的关键组件，它能将输入的直流电压转换为所需的稳定输出电压。今天，我们就来深入探讨 Murata Power Solutions 推出的一款高性能 DC/DC 转换器——MPQ0125V3NBMC。

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产品概述

MPQ0125V3NBMC 是一款高度高效的 300W 数字控制、隔离式 DC/DC 转换器。它能够将 18 - 75Vdc 的输入电压转换为隔离且稳定的 12Vdc 输出电压。该转换器采用行业标准的四分之一砖封装格式，具备过流、过温和过压保护功能，还提供硬件状态监测。此外，它还支持 PMBus™ 通信，拥有黑匣子功能，为工程师们提供了强大而灵活的控制和监测手段。

产品特性

电气特性

• 宽输入电压范围：支持 18 - 75Vdc 的输入电压，标称值为 48V，能适应多种不同的电源环境。
• 稳定输出：输出电压标称值为 12V，输出电流可达 25A，输出功率最高为 300W，能满足大多数应用的功率需求。
• 高效转换：最高效率可达 94%，在不同输入电压和满载条件下都能保持较高的效率，有效降低功耗。
• 输出调节与检测：支持输出电压的调节和检测功能，可通过硬件或 PMBus 进行灵活配置。
• 低纹波与噪声：在 20MHz 带宽下，输出纹波和噪声最大为 150mVp - p，能为负载提供稳定的电源。
• 可变开关频率：开关频率范围为 50 - 300KHz，可根据实际应用需求进行调整。

安全特性

• 多重保护：具备过流、过温和过压保护功能，能有效保护转换器和负载设备的安全。
• 安全认证：符合 UL 62368 - 1 2nd Ed、CAN/CSA - C22.2 No. 62368 - 1 - 14 等安全标准，获得 CE 标志和 UKCA 标志，输入 - 输出隔离电压为 2250Vdc，绝缘安全等级为基本绝缘，还符合 RoHS 标准。
• 电弧检测：基于 DOC#62506，电弧检测级别为 5，检测电流为 12mA，能及时检测并处理电弧故障。

其他特性

• PMBus 接口：支持 PMBus™ 1.2 接口，可通过数字通信对转换器进行配置和监测，实现远程控制和故障诊断。
• 底板散热：配备底板，优化了散热性能，能有效降低转换器的工作温度，提高可靠性。
• 电源良好信号：提供电源良好（PG）标志，可指示输出电压是否在指定范围内，且无故障发生。

技术参数详解

绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
输入电压	-0.5	80	Vdc
开/关引脚电压	0	15	Vdc
其他引脚电压	-0.3	3.6	Vdc
工作环境温度	-40	85	℃
储存环境温度	-55	125	℃
隔离电压		2250	Vdc

输入特性

参数	条件	最小值	标称值	最大值	单位
输入电压工作范围	稳态	18	48	75	Vdc
电压瞬变	持续 100ms			100	Vdc
启动电压		15.5		18.5	Vdc
锁定滞后电压		0.2		3.0	Vdc
过压关机恢复电压		74		78	Vdc
开启/关闭滞后		0.2		3.0	Vdc
满载条件下输入电流	输入电压为标称值		6.6		Adc
低线输入电流	输入电压为最小值	17		20	Adc
浪涌电流	输入电压为标称值		0.7	1.0	A - Sec
无负载输入电流	输入电压为标称值，输出电流为 0A，单元开启			500	mA
关机模式输入电流	关闭，欠压，过温			100	mA
输入电容	Nichicon UPM1J470MPH 或等效电容	220			uF

输出特性

参数	条件	最小值	标称值	最大值	单位
输出电压范围	带调节功能	9.60	12.0	13.20	Vdc
输出电流		0		25	A
输出功率		0		300	W
纹波与噪声	20MHz 带宽			150	mVp - p
效率	输入电压为 24V，满载		94		%
	输入电压为 48V，满载		93.5		%
	输入电压为 60V，满载		93		%
开关频率	可变开关控制	50		300	KHz

PMBus 功能

一般特性

PMBus 遵循 Rev. 1.2 标准，支持 SMBALERT# 信号和 PEC（数据包错误检查），采用线性数据格式。模块上电时会恢复非易失性用户存储内存的全部内容，最大总线速度为 400kHz。

地址配置

该系列提供三种地址配置方式，通过外部连接两个电阻从地址引脚 “Addr1” 和 “Addr0” 到信号地 “Sig_Gnd” 来设置地址，形成两个八进制（0 到 7）数字，每个引脚设置一个数字。不同的地址配置对应不同的电阻值，用户可根据实际需求进行选择。

命令列表

PMBus 提供了丰富的命令，可用于配置和监测转换器的各种参数，如输出电压、输入电压、过压保护、过流保护等。通过这些命令，工程师可以灵活地调整转换器的工作状态，以满足不同应用的需求。

应用注意事项

电源管理与 PMBus 接口

利用 PMBus™ 数字通信，系统/主机可以读取和配置广泛的参数。每个模块都预先配置了多种操作模式，具体细节可参考 PMBus™ 接口部分。

SMBALERT# 硬件信号

SMBALERT# 信号为系统/主机提供了另一种故障或警告通知方式。当模块内部检测到故障或警告时，该信号会内部驱动为低电平（<0.4Vdc），直到故障/警告刺激被移除且系统/主机清除相应的位标志或发出 “CLEAR_FAULTS” 命令。当没有检测到故障时，信号驱动为高电平（>2.4Vdc）。

软启动上电

默认的斜坡上升时间为 30ms，当通过施加输入电压启动时，控制电路的启动时间会额外增加 10ms 的延迟。可以使用 PMBus 接口重新配置模块的软启动上电过程。

输出过压保护（OVP）

OVP 限制和响应可以通过 PMBus 命令进行配置。默认的输出 OVP 限制设置为标称输出电压的 20% 以上，当发生过压故障时，主输出会立即关闭，输出会被锁定，需要重新启动使能或输入电压来纠正故障。

过流保护（OCP，电流限制）

模块包含限流电路，用于在连续过载时提供保护。产品的默认设置为锁定模式，电流限制可以通过 PMBus 命令 0x46（IOUT_OC_FAULT_LIMIT）进行配置，但必须大于 IOUT_OC_WARN_LIMIT（PMBus 命令 0x4A），最大电流限制值为 40A。

电源良好信号

模块在 STATUS_WORD 寄存器中提供电源良好（PG）标志，指示输出电压是否在指定的容差范围内且无故障发生。Power Good 引脚的默认逻辑为负逻辑，可通过 MFR_PGOOD_POLARITY 进行配置。

启动注意事项

在给 DC - DC 转换器首次加电时，如果输入源的交流和直流阻抗不低且调节不足，可能会出现启动困难的问题。因此，要确保输入源的瞬时输入电压始终不低于最小值，在输入端子附近使用适当大小的电容，可能需要多个并联电容。同时，要注意输入电流通过布线和接地平面返回，确保接地平面使用足够厚度的铜，必要时可增加总线电线。

输入熔断

某些应用或安全机构可能要求在电源转换组件的输入处安装保险丝。当存在持续输入电压反转且无电流限制的可能性时，也应使用保险丝。为确保最大安全性，建议在未接地的输入电源线中安装快速熔断保险丝。

输入欠压关机和启动阈值

转换器在输入电压上升超过并保持在启动阈值电压时才会开始完全调节。一旦开始工作，输入电压下降到欠压关机限制以下时，转换器才会关闭。后续重启需要输入电压再次上升到启动阈值以上。这种内置的滞后功能可防止在单一输入电压下出现不稳定的开/关操作，过/欠压故障级别、故障响应和滞后可通过 PMBus 接口进行配置。

启动时间

启动时间是指输入电压上升越过启动阈值到输出电压上升到调节点的 10% 以内的时间间隔。这些转换器包含软启动电路，可控制输出电压的上升时间，从而限制输入浪涌电流。

推荐输入滤波

用户必须确保输入源具有低交流阻抗，以提供动态稳定性，且输入电源的电感含量尽可能小，包括到远程电源的长分布式布线。如果满足这些条件，转换器可以在无需额外外部电容的情况下工作。为获得最佳性能，建议在转换器输入端子附近安装低 ESR 电容，可根据需要并联更多的输入大容量电容。

推荐输出滤波

该系列需要最小的聚合物电容来保持环路稳定。用户可以安装外部输出电容以进一步改善纹波或动态响应，但必须使用低 ESR 陶瓷（如 Murata GRM32 系列）或聚合物电容，并将其安装在靠近转换器的位置，使用的电容量应仅满足达到纹波和噪声目标的需求。

输出短路情况

短路情况是 “电流限制” 情况的延伸。当监测到的峰值电流信号达到一定范围时，PWM 控制器的输出会关闭，从而使转换器 “关闭”，随后会有一个延长的超时时间。这个时间可能会根据其他条件（如输入电压水平）而变化。超时后，PWM 控制器会尝试通过启动 “正常启动周期” 来重新启动转换器，包括软启动。如果 “故障条件” 仍然存在，会启动另一个 “打嗝” 周期，直到故障条件被移除，转换器才会恢复 “正常运行”。在故障条件下以 “打嗝” 模式运行的优点是可以将平均输入和输出功率水平保持在较低水平，防止内部温度过度升高。

远程开/关控制

MPQ 系列模块配备了开/关控制引脚（内部上拉，与 TTL 开集电极和/或 CMOS 开漏兼容），可通过 PMBus 接口进行配置。当开/关引脚接地或相对于 - Vin 处于低电压（见规格）时，输出启用；当开/关引脚悬空或相对于 - Vin 被拉高到 +13.5Vdc 时，设备关闭（禁用）。开/关功能允许模块通过外部设备开关进行打开/关闭操作。

最小输出负载要求

所有型号在无负载到满载条件下都能在规格范围内调节并保持稳定。

热关机（OTP）

该系列包含热感应和关机电路，可在检测到过温情况时自动关闭。当温度下降到由 PMBus 命令 0x4F “OT_FAULT_LIMIT” 定义的重启阈值以下时，模块会自动重启。OTP 故障限制和恢复滞后可通过 PMBus 进行配置。

输出电容负载

这些转换器需要添加外部最小电容以达到额定规格。用户应考虑添加电容以减少开关噪声和/或处理尖峰电流负载步骤，但安装的电容量应仅满足达到噪声目标的需求。过多的外部电容可能会导致瞬态响应变差，甚至可能出现振荡或不稳定情况。

温度降额曲线

数据手册中的图表展示了在各种条件下的典型操作情况。降额曲线显示了在不同强制气流（以线性英尺每分钟 “LFM” 为单位）下，可接受的最大连续环境空气温度和逐渐降低的最大输出电流。需要注意的是，这些是平均测量值，转换器可以承受短暂的电流增加或气流减少，只要平均值不超过限制。

远程检测输入

使用检测输入时要谨慎，检测输入通常连接在负载处，可补偿负载处输出电压的不准确，通过校正输出布线和 PCB 蚀刻的载流能力上的 IR 电压降来实现。检测和 Vout 在转换器处测量的差值不应超过 0.5V，如果差值过大，可考虑使用更粗的电线。检测输入还可以通过优化控制环路的相位裕度来提高转换器和负载系统的稳定性。

焊接指南

Murata Power Solutions 建议在安装这些转换器时遵循以下规格，这些规格会根据焊料类型而有所不同。超过这些规格可能会对产品造成损坏，在大气湿度较高时要格外小心，强烈建议进行温和的预烘烤（100°C 持续 30 分钟）。由于生产环境可能不同，建议与工艺工程师彻底审查这些指南。

输出电压调节

Trim 输入引脚用于在额定调节范围内调节输出电压。调节使用一个固定电阻连接在 Trim 输入和任一 Vout Sense 引脚之间，调节电阻应具有低温度系数（±100 ppm/°C 或更低），并安装在靠近转换器的位置，保持引脚短。如果不使用调节功能，可将 Trim 引脚不连接，转换器将默认达到指定的输出电压精度。

排放性能

Murata Power Solutions 根据 EN 55022 和 CISPR 22 标准测量产品的传导发射。测试时使用无源电阻负载，并将输出设置为最大电压。如果用户自行进行排放测试，确保在测试时输出负载额定为连续功率。推荐的外部输入和输出电容（如果需要）已包含在内，具体信息可参考产品规格。还安装了外部离散滤波器，并提供了电路图。

总结

MPQ0125V3NBMC 是一款性能卓越、功能丰富的隔离式 DC/DC 转换器，具有宽输入电压范围、高效转换、多重保护和灵活的 PMBus 控制等优点。在实际应用中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理配置和使用该转换器，并注意上述的应用注意事项，以确保转换器的稳定运行和系统的可靠性。你在使用类似的 DC/DC 转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。