Avanserte DC–DC-omformere forenkler design av strømsystemer for industriell, medisinsk og transport

Med den økte bruken av elektronikk på tvers av industrielle, transport- og medisinske apparater, trenger designere av understøttesystemer for strøm for å sikre høy ytelse i fysisk og elektrisk krevende miljøer, samtidig som de oppfyller strenge forskrifts- og sikkerhetskrav. Samtidig må de holde seg innenfor stadig strammere budsjetter og begrensninger i utviklingsplanleggingen.

DC–DC-omformeren har utviklet seg dramatisk over tid for å oppfylle mange av disse kravene. De har redusert i størrelse for høyere strømtetthet, for å spare plass, og tilbyr brede inngangsområder for å forenkle inventar og senke materialkostnaden (BOM). Andre forbedringer for å gjøre en designoppgave enklere, inkluderer støysvake utganger, strammere lastregulering, kraftig beskyttelse, samt sikkerhetsfunksjoner og bemerkelsesverdig oppmerksomhet for termisk styring. Imidlertid, som designere kanskje kan forvente, er ikke alle DC–DC-omformere de samme, noe som krever at de må være diskriminerende i valgene sine, for å sikre seg suksess med design og utrustning.

Denne artikkelen inneholder DC–DC-omformere fra Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor og XP Power som er kompakte, sikrer lav rippelstøy og leverer enkle og doble utgangsspenninger. Den vil også fremheve og forklare funksjoner og forbedringer, og hvordan de kan hjelpe designere med å øke strømtilpasningsmulighetene, redusere støy, sikre selvbeskyttelse og gi bedre termisk styring.

Slik fungerer DC–DC-omformere

Som navnet tilsier, tar en DC–DC-omformer spenningen inn fra en DC-kilde og omformer den til en annen likespenning på en annen utgang. Utgangen kan være lavere spenning (nedtransformeringsomformer / buck-omformer) eller høyere spenning (opptransformeringsomformer / boost-omformer) enn inngangsspenningen. DC–DC-omformere er enten isolerte eller uisolerte. En isolert DC-DC-omformer bruker en transformator for å eliminere DC-banen mellom inngang og utgang (Figur 1).

Figur 1: Denne DC–DC-omformeren er isolert, som indikert av transformatoren mellom inngangs- og utgangstrinnene. (Bildekilde: XP Power)

I motsetning til dette har uisolerte DC–DC-omformere, ofte brukt når endringen i spenningen er liten, en DC-bane mellom inngang og utgang.

Viktige ytelser og designhensyn

Viktige ytelsesegenskaper for DC–DC-omformere inkluderer virkningsgrad, strømklassifisering, rippelspenning, regulering, forbigående respons, spenningsklassifisering, størrelse og vekt. For mer om disse, se «Introduksjon til DC–DC-omformere.» Designere må også være oppmerksomme av en omformers evne til å støtte et bredt spekter av nominelle inngangsspenninger. Dette gjør at en omformer kan støtte mange apparater – redusere inventar og logistikk – forutsatt at den også er i stand til å gi den nødvendige utgangsspenningen og strømstyrken som kreves for de forventede lastene.

Avhengig av utrustningen og strømkildens art, er også beskyttelse mot overspenning, underspenning, omvendt polaritet, kortslutning og forhold over temperaturer avgjørende. På samme måte er det et nødvendig med god overensstemmelse med elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og elektromagnetisk interferens (EMI). Dette er spesielt viktig gitt at ikke-linjære strømforsyningene som brukes i DC–DC-omformere kan introdusere støy direkte i belastningen og kan avgi RF-støy som kan påvirke stabiliteten og nøyaktigheten til kretser i nærheten.

Til slutt bør designere nøye gjennomgå de termiske egenskapene til omformeren i sammenheng med apparatets design og driftsforhold slik at tilstrekkelig ventilasjon og andre termiske styringsteknikker kan brukes etter behov.

Mindre er bedre for DC–DC-omformere

Flere apparater krever DC–DC-omformere i kompakte formater for å spare plass og forenkle installasjonen. For slike apparater konstruerte Bellnix OHV-serie på 1,5 watt mellom- til høyspennings-DC–DC-omformere spesifikt for å redusere monteringsområdet som kreves med nesten 60 %, sammenlignet med moduler som var tilgjengelige på utviklingstidspunktet. En prøveenhet er OHV12-1.0K1500P, en SiP-kapsling (system-in-package) som måler 44 x 16 x 30 millimeter (mm) og som gir ut 1000 volt ved 1,5 milliamper (mA) (figur 2). Bellnix designet også serien for å holde rippelstøyen så lav som 5 millivolt (mV) spiss-til-spiss (_P-P).

Figur 2: Den ultrakompakte OHV12-1.0K500P-omformeren fra Bellnix måler 44 x 16 x 30 mm og leverer 1000 volt ved 1,5 mA. (Bildekilde: Bellnix)

Serien fungerer fra en inngang på 11 volt til 13 volt ved 0,28 ampere (A). Fra dette kan den produsere mellom null og +/-1000 volt (0 til 1,5 mA), 1500 volt (0 til 1,0 mA), og 2000 volt (0 til 0,7 mA), avhengig av modell.

Enhetenes lave rippelstøy på 5 mV_P-P er viktig for eksempel for utrustning av enheter for instrumentering, der enhver ustabilitet i høyspenningsforsyningen kan indusere støy og påvirke utstyrets nøyaktighet. Bellnix har utviklet sin egen kretsteknologi for å holde støy til et minimum, mens enhetene er selvforsynt – uten eksterne komponenter kreves – kan designere legge til komponenter for å ytterligere redusere støy, samt redusere inngangsimpedansen (figur 3).

Figur 3: For å redusere inngangsimpedansen på grunn av ledningslengde mellom forsyningen og omformeren, kan designere legge til kondensator C1 på terminalsiden. For ytterligere å redusere støy, kan C2 legges til over lasten. (Bildekilde: Bellnix)

For å redusere inngangsimpedansen forårsaket av utvidet avstand mellom omformeren og strømforsyningen, kan for eksempel kondensator C1 legges til ved inngangen. Denne kondensatoren bør plasseres på terminalsiden av omformeren for å redusere lederinduktansen. For å redusere støy kan en kondensator (C2) plasseres forsiktig i nærheten av lasten slik at den har minimum ledningsinngang for inngang og utgang, vær oppmerksom på krypstrøm og fysiske avstander.

Alle enheter i linjen har innebygd kortslutnings- og overstrømbeskyttelse, samt de øker påliteligheten til strømforsyningen ytterligere med en fem-sidig metallkasse som bruker ekstra skjerming for å beskytte enheten mot høye temperaturer. Utgangsspenningen på OHV-serien kan styres fra 0 V til 2000 V med en ekstern spenning eller en ekstern variabel motstand.

For designere av batteridrevne enheter, HVM Technology nHV-serien tilbyr presisjonsregulert effekt på 100 milliwatt (mW) med opptil 1 kilovolt (kV) i en kapsling som måler 11,4 mm x 8,9 mm, med en høyde på 9,4 mm. Spesifikt er lastreguleringen <0,2% (typisk) fra ingen last til full last.

NHV-serien har en 5 volts inngang (4,5 volt ±0,5 volt). Avhengig av modell varierer utgangsspenningen mellom -1200 volt (NHV0512N) og 1200 volt (NHV0512) ved 83 mikroamper (µA), til -100 volt (NHV0501N) og 100 volt (NHV0501) ved 1 mA.

Serien benytter en programmeringsinngang med høy impedans (100 kilohms (kΩ)) for å gjøre enhetene enkle å installere og eliminere behovet for en justerbar strømkildespenning med lav impedans. Utgangsspenningen er uavhengig av inngangsspenningen og er i stedet proporsjonal med programmeringsspenningen for å sikre robust linearitet.

Bredt inngangsområde

Som nHV-serien, XP Power sine DC–DC-omformere DTJ15- og DTJ20-serien på 15 watt og 20 watt er også miniatyriserte for enkel installasjon og energieffektiv drift, men med en vri: De kan installeres på et chassis eller en DIN-skinne og kobles til via skrueterminaler (figur 4).

Figur 4: DTJ15- og DTJ20-serien DC–DC omformere er optimalisert for liten størrelse, kan enkelt installeres ved hjelp av en DIN-skinne og har et bredt inngangsspenningsområde. (Bildekilde: XP Power)

Foruten enkel installasjon, er det en viktig ting med disse effektomformerne – at deres evne til å dekke et bredt DC-spenningsinngangsområde strekker seg fra 9 volt til 36 volt, samt 18 volt til 75 volt. En rekke inngangskilder, inkludert flere nominelle batterispenninger og kjøretøyforsyninger, lar disse omformerne tjene et bredt spekter av industrielle, kommersielle og kommunikasjon utrustninger.

Til sammen tilbyr DTJ15 og DTJ20 DC–DC-styringer totalt 14 varianter med enkeltutgangsenheter som gir spenninger på 3,3 volt, 5,0 volt, 12,0 volt og 15,0 volt, samt doble utganger som gir ±5,0 volt, ±12,0 volt henholdsvis ±15,0 volt (figur 5).

Figur 5: DTJ15- og DTJ20-serien DC–DC-omformere er bemerkelsesverdige for sitt brede inngangsspenningsområde, så vel som deres utgangsområde, og sistnevnte gir totalt 14 varianter. Bildet viser utgang for DTJ15, 15 watts omformer. (Bildekilde: XP Power)

En ekstern PÅ/AV-funksjon gjør at DC–DC-omformere kan styres av programvare, som hjelper deg med å kontrollere det totale strømforbruket, slik at eksterne installasjoner kan fungere effektivt.

En annen viktig funksjon i DTJ15- og DTJ20-serien DC–DC-omformere er mykstart som gradvis øker (ramper) utgangsspenningen ved å modulere referansen til den interne feilforsterker-referansen. Dette fører til at utgangsspenningen tilnærmer seg en stykkevis lineær rampe, som avsluttes når spenningen når den nominelle utgangsspenningen. Andre beskyttelsesfunksjoner som tilbys av DTJ15- og DTJ20-serien styringer, inkluderer kortslutningsbeskyttelse og inngangs-polaritetsbeskyttelse.

Oversikt over beskyttelsesfunksjoner

Design av strømtilførselsystemer for jernbane-, industri- og transportutrustninger krever raske avregningstider for kortvarig trinnbelastning. Andre forbigående hendelser som svingninger i inngangs- og utgangsspenningen gjør selvbeskyttelsesfunksjonene kritiske for sikker og pålitelig drift av DC–DC-omformere.

Ved strømbegrensning, også referert til som effektbegrensning; når utgangsstrømmen øker til omtrent 130 % av sin nominelle verdi, vil DC–DC-omformeren gå i en strømbegrensende modus. Som et resultat vil utgangsspenningen begynne å synke proporsjonalt for å opprettholde et noenlunde konstant effekttap.

Hvis miljøforhold får temperaturen på DC–DC-omformeren til å stige over den beregnede driftstemperaturen, vil en presisjons-temperatursensor slå enheten av. Når den innvendige temperaturen synker under terskelen til temperatursensoren, vil DC–DC-omformeren selvstarte.

Murata sin IRE-Q12-serie isolerte DC–DC-omformere har selvbeskyttende funksjoner for å sikre at det ikke er uheldige effekter fra høyere kapasitive laster (figur 6). IRE-12/10-Q12PF-C inkluderer for eksempel alle relevante selvbeskyttelsesfunksjoner, mens de oppfyller EN50155-kravene for å lette nominelle batterispenninger under lysstyrkereduksjon (brownout) og forbigående forhold.

Figur 6: Omformerne av IRE-Q12-serien gjennomgår omfattende tester for å sikre at de tåler de tøffe miljøforholdene som vanligvis finnes i jernbane- og industrielle utrustninger. (Bildekilde: Murata)

IRE-Q12-serien omformere gir en enkelt 120 watt isolert effekt fra et inngangsspenningsområde fra 9 volt til 36 volt i en standardformatet «1/8 brick»-monteringsflate. Det gir også to baseplate-alternativer, det ene for å ta minimalt plass på kretskortet, det andre en slisset flens for mekanisk feste til en kjøleribbe.

Utgangen til disse DC–DC-omformerne kan trimmes +/-10 % for å sikre raske innsvingningstider for kortvarige trinnlaster. Videre er alle omformere testet og spesifisert for inngangsreflektert rippelstrøm, inngangsterminal-rippelstrøm og utgangsstøy.

Moduser med frittstående strøm og matrise-strøm

Vicor sin DCM2322 er en isolert DC–DC-omformerserie som fungerer fra uregulerte DC-innganger som spenner fra 9 volt til 50 volt, for å generere en isolert 28 volt-utgang (figur 7). Det er basert på selskapets dobbeltklemte nullspennings-svitsjingtopologi (DC-ZVS) som hjelper den til å levere en høy virkningsgrad på 93 % over hele inngangsspenningsområdet.

Figur7: DC-ZVS-topologien gjør det mulig for DCM2322-omformere å oppnå opptil 93 % virkningsgrad. (Bildekilde: Vicor)

DC–DC-omformermodul-enhetene (DCM units), for eksempel DCM2322T50T3160T60, utnytt termiske og tetthetsfordelene ved Vicors ChiP-emballasjeteknologi som distribuerer den internt genererte varmen jevnt over overflaten av kapslingen. ChiP-teknologien gjør det også mulig for DCM-omformere å tilby fleksible termiske styringsalternativer med svært lave termiske impedanser på topp- og bunn-side.

Den effektive termiske distribusjonen gjør at DCM-enhetene kan ha tilkoblingsmuligheter fra en rekke uregulerte strømkilder til lastpunktet. De har både overspenningsfeilbeskyttelse for inngang og utgang, samt andre feilhåndteringsmekanismer som slår av av omformerne når en feil blir oppdaget (figur 8).

Figur 8: DCM-omformerne letter håndtering av feilovervåkning, så vel som sikkerhetsfunksjoner som inkluderer strømbegrensning og mykstartkontroll. (Bildekilde: Vicor)

Disse funksjonene gjør at DCM-omformerne kan gi en regulert utgangsspenning rundt definerte nominelle lastlinjer og temperaturkoeffisienter. Hvis den innvendige temperaturen på omformeren overskrider grensen, registreres en temperaturfeil og drivverket stopper umiddelbart kobler om. Omformeren venter på at den innvendige temperaturen kommer tilbake til den gitte terskel og starter deretter på nytt.

Disse DC–DC-omformere gir dessuten integrert EMI-filtrering, tett utgangsspenningsregulering og et sekundært referert styregrensesnitt, samtidig som de grunnleggende designfordelene ved den konvensjonelle murarkitekturen bevares.

I utrustninger som krever mer strøm enn en enkelt DC–DC-omformer kan levere, for eksempel datasentre og telekommunikasjonsutstyr, kan flere enheter brukes parallelt. Flere DCM-omformere kan parallellkobles i matrise-modus for høyere strømkapasitet via lastfordeling, selv når de bruker forskjellige inngangsspenningsforsyninger. Vicor har kvalifiserte matriser på opp til åtte DC–DC-omformere for 480 watts kapasitet.

Konklusjon

For designere av strømforsyninger som støtter elektroniske systemer for industrielle, medisinske, transport- og instrumenteringsutrustninger, er kompleksitetene og de tilhørende kostnadene mange, fra behovet for brede inngangsspenningsområder til termisk styring og lastfordeling. Som vist har imidlertid DC–DC-omformere utviklet seg til stadig mindre, enkle å installere, selvforsynt strømforsyning som eliminerer mange av disse kompleksitetene.

For designere som ønsker bedre ytelse, kan ytterligere komponenter legges til. Når det kreves mer fleksibilitet, er fjernkontroll og programmerbare funksjoner i økende grad tilgjengelige for å utføre impedanskompensasjon, samt lette en rekke beskyttelsesfunksjoner for å unngå utbrenthet (kortslutning), reagere på forbigående forhold og redusere systemets strømforbruk.

Videre lesning

1. Introduksjon til DC–DC-omformere (likestrøm–likestrøm)