Bruk isolerte DC-DC-omformere med innebygde transformatorer for å forenkle montering

I stasjonen for å redusere kostnader og plass, er monolittiske DC-DC-omformere (likestrøm-likestrøm) en god løsning for mange høyvolum-utrustninger, men de kan ikke brukes i konstruksjoner som krever elektrisk isolasjon av strømtilførselsinngangen fra utgangen. Medisinsk utstyr er et godt eksempel. Vanligvis kan kortmonterte isolerte forsyninger brukes i stedet, men disse er avhengige av en transformator for å oppnå den nødvendige elektriske isolasjonen, og dermed redusere virkningsgraden og øke kostnaden, størrelsen og vekten på produktet. Transformatoren introduserer også variabilitet i DC-DC-omformerens ytelse og gjør automatisert montering med høyt volum vanskelig.

For å takle mange av disse utfordringene kan designere bruke isolerte DC-DC-omformermoduler som har transformatoren innebygd i omformerens substrat.

Denne artikkelen forklarer omstendighetene som krever bruk av isolerte DC-DC-omformere. Deretter introduseres eksempelløsninger fra Murata Electronics som viser hvordan de kan brukes for å oppnå isolasjon uten de store designkompromissene som vanligvis er forbundet med transformatorbaserte isolerte DC-DC-omformere. Artikkelen beskriver også hvordan omformerens kapsling oppfyller behovet for høynivås, automatisert overflatemontasje, samt det vises hvordan man kan designe isolerte DC-DC-omformere til produkter med minimal spenning og strømrippel og redusert elektromagnetisk interferens (EMI).

Når man skal bruke en isolert omformer

I en konvensjonell DC-DC-omformer lar en enkelt regulatorkrets strømmen flyte direkte fra inngang til utgang. Dette reduserer kompleksitet, størrelse og pris. Men det er mange applikasjoner som krever galvanisk isolasjon (fra nå av bare omtalt som «isolasjon») for å elektrisk skille enhetens inngangs- og utgangsside. Sikkerhetskrav kan for eksempel diktere bruken av en isolert DC-DC-omformer – ved hjelp av en transformator (eller i noen tilfeller koblede induktorer) for å overføre spenning og strøm over mellomrommet mellom inngangs- og utgangssiden – særlig hvis inngangssiden er koblet til spenninger som er høye nok til å sette mennesker i fare. Isolerte DC-DC-omformere er også nyttige for å bryte opp jordsløyfer, og skiller dermed deler av en krets som er følsomme for støy fra kildene til denne støyen (figur 1).

Figur 1: En basismodell uisolert DC-DC-omformer (topp) sammenlignet med en isolert versjon (bunn) ved hjelp av en transformator for galvanisk isolasjon. (Bildekilde: DigiKey)

En annen egenskap ved en isolert DC-DC-omformer er en flytende utgang. Mens slike omformere leverer en fast spenning mellom utgangsklemmene, har de ikke en definert eller fast spenning i forhold til spenningsnivåene i kretsene de er isolert fra (dvs. de er «flytende»). Det er et alternativ for å koble en isolert DC-DC-omformers flytende utgang til en kretsnode på utgangssiden for å feste spenningen, som deretter gjør det mulig å forskyve utgangen eller invertere den i forhold til et annet punkt plassert i utgangssidekretsen. På grunn av separasjon av inngangs- og utgangskretser må konstruktøren sørge for at begge kretsene har sine egne jordreferanser.

Databladet for en gitt DC-DC-omformer lister vanligvis isolasjonsspenningen – den maksimale spenningen som kan leveres i en definert (kort) tid uten at strømmen overbygger gapet med en bro. I tillegg beskriver databladet den maksimale driftsspenningen som kontinuerlig kan tåles, uten å bryte isolasjonen.

Isolasjon gir noen kompromisser. For det første har isolerte omformere en tendens til å være dyrere fordi den (vanligvis tilpassede) transformatoren er dyrere enn den tilsvarende sereproduserte induktoren («hyllevare») som brukes i den uisolerte versjonen. Jo høyere isolasjon som kreves, desto større blir kostnaden.

For det andre pleier isolerte DC-DC-omformere å være fysisk større enn uisolerte versjoner; transformatoren er generelt større enn den ekvivalente induktoren, og induktoren pleier å fungere med høyere vekslingsfrekvenser, noe som reduserer den fysiske størrelsen ytterligere, sammenlignet med transformatoren.

For det tredje har virkningsgraden, reguleringen og ytelsesrepeterbarheten fra komponent-til-komponent av isolerte DC-DC-omformere en tendens til å være dårligere enn uisolerte omformere. Transformatoren er noe mer ineffektiv i forhold til med en induktor, og isolasjonsbarrieren hindrer utgangen i å bli direkte sensorregistrert og tett styrt for bedre regulering og for forbigående ytelse. På grunn av at de er mindre, kan uisolerte DC-DC-omformere plasseres nær belastningen for å redusere overføringslinjeeffekter og ytterligere øke litt virkningsgraden. På grunn av at transformatoren i isolerte omformere vanligvis er en egenprodusert eller laget på bestilling, gir ikke to enheter nøyaktig samme utgang.

Endelig kan denne transformatoren også komme i veien for en effektiv monteringsprosess med høyt volum. Profilen til den isolerte DC-DC-omformeren med en transformator gjør den uegnet for automatisert montering, noe som tilsier at den må legges til kretskortet (PCB) for hånd.

Isolert valg for DC-DC-omformer

Hvis konstruktørens søknad krever isolasjon av sikkerhetsmessige eller andre årsaker, må kompromissene som tidligere er beskrevet, tas i betraktning. Iherdig komponentforskning kan avdekke noen nyere løsninger som er konstruerte for å minimere virkningen av designkompromissene.

Murata har for eksempel nylig introdusert sine NXE (figur 2) og NXJ2-seriene isolerte DC-DC-omformere. Disse er konstruerte for å håndtere noen av de tradisjonelle utfordringene med isolerte DC-DC-omformere.

Figur 2: Muratas isolerte DC-DC-omformere NXJ2 og NXE (vist) inkluderer en transformator innebygd i komponentenes substrat for å redusere størrelsen på produktet. Bildekilde: Murata Electronics)

NXE-serien tilbyr alternativer med innganger på opptil 2 watt, med 5 og 12 volt, samt utgangsalternativer med 5, 12 og 15 volt. Inngangsstrøm og utgangsstrøm varierer med spenningen, men varierer fra 542 milliampere (mA) på inngangen og 400 mA på utgangen for 5/5 volt-modellen til 205 / 133 mA for 12/15 volt-modellen. Produktutvalget har vekslingsfrekvenser fra 100 til 130 kilohertz (kHz), avhengig av modellen.

Likedan tilbyr NXJ2-serien alternativer med innganger på opptil 2 watt, med 5, 5 og 12 volt, samt utgangsalternativer med 5, 12 og 15 volt. Inngangs- og utgangsstrøm varierer fra 550 mA inngang / 400 mA utgang for 5/5 volt-modellen til 105/133 mA for 24/15 volt-modellen. Produktene har vekslingsfrekvenser fra 95 til 140 kHz.

Muratas isolerte DC-DC-omformere håndterer utfordringene ved automatisert produksjon ved å innebygge transformatoren i substratet til enheten. Transformatoren er dannet av alternative lag av FR4-glassforsterkede epoksylaminat som ofte brukes som kjerne i trykte kretskort, samt kobber for å lage viklingene rundt den innebygde kjernen. Den innebygde transformatorkonstruksjonen hevdes å hjelpe varmeavledning og forbedre ytelsesrepeterbarheten mellom komponenter.

Resultatet er en lavprofil kapsling (under 4,5 mm), kompakt (15,9 x 11,5 mm for 5- og 12-voltsversjonene og 16 x 14,5 mm for 24-voltsversjonen) egnet for bånd og rull-emballasje (Tape and Reel), som kan plukkes opp av vakuumdysen til en automatisert plasseringsmaskin (figur 3).

Figur 3: NXE-isolerte DC-DC-omformere er plassert i en kompakt kapsling som kan mates med bånd og rull (Tape and Reel) og plasseres på kretskort av automatisert monteringsutstyr. (Bildekilde: Murata Electronics)

Den innebygde transformatorkonstruksjonen gir god elektrisk ytelse sammenlignet med andre isolerte konstruksjoner. Isolerte DC-DC-omformere fungerer vanligvis i området 55–85 % virkningsgrad når de er under full belastning. NXE-serien og NXJ2-serien har rundt 72 % virkningsgrad under 100% belastning med en 5 volts utgang, og stiger til 76% virkningsgrad for en 15 volts utgang, og 78 % virkningsgrad for en 24 volts utgang.

Isolerte DC-DC-omformere mangler vanligvis den nøyaktige reguleringen som er typisk for uisolerte produkter, fordi de ikke har en elektrisk tilbakemeldingssløyfe mellom utgang og inngang. For NXE-serien er linjereguleringen 1,15 %/% og lastreguleringen er mellom 7 og 11 %. NXJ2s linjeregulering er typisk 1 %/%-for 24 volts inngang, og typisk 1,1 %/% for alle andre inngangstyper. Nøyaktigheten til settpunktet for spenningen avhenger av utgangslaststrømmen og NXE- eller NXJ2-enheten valgt. For eksempel viser NXE2S1215MC 12-volts inngangs-/15-volts utgangsløsning en variasjon på -2 til -6% i forhold til settpunktet ved full utgangsstrøm (figur 4).

Figur 4: Isolerte DC-DC-omformere mangler den nøyaktige reguleringen som er typisk for uisolerte DC-DC-omformere. Nøyaktigheten til settpunktet for spenningen varierer avhengig av laststrømmen på utgangen. Eksemplet her viser utgangsspenningens nøyaktighet i forhold til settpunktet for forskjellige belastninger for NXE2S1215MC, Muratas isolerte DC-DC-omformer med 12-volts inngang / 15-volts utgang. (Bildekilde: Murata Electronics)

Forstå spesifikasjonene

Elektrisk separasjon av inngangen fra utgangen er ofte et regulatorisk krav, noe som gjør det viktig at ingeniøren er klar over hvilke forskrifter som krever en gitt konstruksjon. Dette kan være vanskelig fordi informasjonen kan være forvirrende.

Reguleringsstandarder spesifiserer for eksempel isolasjonen som kreves for en komponent og isolasjonen som kreves for et sluttprodukt – og det er forskjellig for hver komponent. Så for eksempel kan spesifikasjonsarket for en komponent angi at enheten tåler en isolasjonstestspenning på 2,5 til 5 kilovolt AC (vekselstrøm) og at den overholder produktstandard IEC 60950-1, når det som er viktigere for konstruktøren er at isolatorens arbeidsspenning er for eksempel 150 til 600 volt AC og at den overholder komponentstandard IEC 60747-5-5.

Det bør også utvises forsiktighet med hensyn til terminologien som brukes til å beskrive isolasjonsnivåene. «Basic» er et enkelt isolasjonslag og «Double» er to lags; «Reinforced» er et enkelt isolasjonssystem som tilsvarer Double. Standardene forutsetter at en enkelt feil kan oppstå i ett isolasjonslag, slik at et produkt med et andre isolasjonslag fortsatt vil gi beskyttelse. Viktig, når en komponent er definert som «Basic» i en komponentstandard, er den klassifisert som utilstrekkelig for sikkerhetsbeskyttelse.

Et annet viktig aspekt for isolasjonsytelsen er komponentens klaring og krypning. Klaring er den korteste avstanden mellom to komponentkretser gjennom luft, mens krypning er den korteste avstanden over en overflate.

Den beste måten en designer kan være sikker på isolatorens ytelse på er å verifisere at en isolator har VDE- og Underwriters Laboratory (UL) sertifiseringer og få en kopi av de faktiske sertifikatene fra isolatorprodusenten.

I NXE- og NXJ2-serien, der FR4 utgjør insolasjonsbarrieren mellom omformerens primære og sekundære viklinger, har hver komponent blitt testet ved 3 kilovolt DC i ett sekund, med prøvegodkjenning testet ved 3 kilovolt DC i ett minutt. Isolasjonsmotstanden måles ved 10 Gigaohm (GΩ) ved en testspenning på 1 kilovolt DC.

NXE- og NXJ2-serien gjenkjennes av UL til ANSI/AAMI ES60601-1 og gir en MOOP (Means of Operator Protection) basert på en arbeidsspenning mellom primære og sekundære spoler på 250 volt RMS maks. UL gjenkjenner også DC-DC-omformerne mot UL 60950 for forsterket isolasjon til en arbeidsspenning (driftsspenning) på 125 volt RMS. Krypning for enhetene er 2,5 mm og klaring er 2 mm.

Reduserer utgangsrippel og EMC

Vekselspenningsomformere har alltid utfordringer knyttet til spenning og strømrippel generert av vekslingselementene. Isolerte DC-DC-omformere er intet unntak.

Uten utgangsfilterkretser er den typiske utgangsrippelen fra NXE DC-DC-omformerne rundt 55 millivolt (mV) topp-til-topp (p-p) som stiger til maksimalt 85 mVp-p. Tilsvarende tall for NXJ2-serien er 70 mVp-p og 170 mVp-p. Selv om disse verdiene er akseptable for mange bruksområder, krever andre en mer stabil utgang.

Utgangsfilterkretsen vist i figur 5 kan brukes til dramatisk å senke utgangsstrømmen og spenningsrippelen. Verdiene til induktoren (L) og kondensatoren (C) varierer avhengig av inngangs- og utgangsspenningene til DC-DC-omformeren; men for eksempel krever Muratas NXE2S1205MC-produkt (12-volts inngangs / 5-volts utgang) en induktor på 22 µH (mikrohenry) og en kondensator på 10 µF (mikrofarad). Effekten av utgangsfilterkretsen er å senke utgangsspenning og strømrippel til maksimalt 5 mVp-p.

Figur 5: Denne enkle utgangsfilterkretsen med passende L- og C-verdier kan redusere den isolerte DC-DC-omformerens utgangsstrøm og spenningsrippel med en størrelsesorden. (Bildekilde: Murata Electronics)

For best mulig resultat bør kondensatorens ekvivalente seriemotstand (ESR) være så lav som mulig, og spenningsgraden bør være minst det dobbelte av den isolerte DC-DC-omformerens nominelle utgangsspenning. For induktoren bør merkestrømmen ikke være mindre enn DC-DC-omformerens utgang. Ved nominell strøm bør induktorens likestrømsmotstand være slik at spenningsfallet over induktoren er mindre enn 2 % av DC-DC-omformerens nominelle spenning.

En inngangsfilterkrets kan legges til NXE- og NXJ2-serien for å dempe EMI som vist i figur 6. Igjen varierer verdiene til L og C avhengig av inngangs- og utgangsspenningene til DC-DC-omformeren; men for eksempel krever Muratas NXE2S1215MC-produkt (12 volt inngang / 15 volt utgang) en induktor på 22 µH og en kondensator på 3,3 µF.

Figur 6: Denne enkle inngangsfilterkretsen med passende L- og C-verdier kan redusere EMI-utslippene fra den isolerte DC-DC-omformeren til under de som kreves for å oppfylle NS-EN 55022-grensene. (Bildekilde: Murata Electronics)

Som vist i figur 7, gjør effekten av filtreringen det mulig for Murata-isolerte DC-DC-omformere å oppfylle EN 55022 Curve B Quasi-Peak EMC-grensen. En EMI-strålingsinnretning må bedre oppfylle disse grensene for å oppfylle EU sitt EMC-direktiv 2014.

Figur 7: Effekten av inngangsfilterkretsen vist i figur 6 er å senke den isolerte DC-DC-omformeren (NXE2S1215MC, i dette tilfellet) EMI-utslippene til under grensene som er fastsatt i EU sitt EMC-direktiv. (Bildekilde: Murata Electronics)

For mer informasjon om filterkretsutforming for DC-DC-omformere, se den tekniske artikkelen DigiKey, Kondensatorvalg er nøkkelen til å konstruere en bra spenningsregulator.

Konklusjon

Isolerte DC-DC-omformere spiller en avgjørende rolle når forskrifter eller sikkerhetshensyn krever elektrisk separasjon av inngangs- og utgangsspenninger. Men isolasjon ved hjelp av en transformator kan gi utfordringer i utformingen – betydelig utfordringer med kostnader, størrelse, ytelsesvariabilitet og montering.

Ingeniører må være klar over disse kompromissene og konstruere produktene deretter. Eksempelvis, så mangler isolerte DC-DC-omformere generelt tilbakemeldingssløyfen som muliggjør nøyaktig regulering av uisolerte produkter, slik at utgangsspenningene kan variere mer med lasten fra settpunktet (innstillingsverdien) enn med de senere komponentene.

Som vist finnes det DC-DC-løsninger som i stedet for å bruke en dyr og voluminøs kortmontert transformator, bruker vekslende lag av FR4 og kobber for å bygge opp en transformator innebygd i omformerens substrat. Resultatet er en rimeligere, kompakt enhet som har bedre repeterbarhet for elektrisk ytelse fra komponent-til-komponent og kan håndteres av automatiske plasseringsmaskiner. Disse isolerte DC-DC-omformerne oppfyller også relevante krav til høyspenningsisolasjons- og isolasjonstesting.