Avancerede DC/DC-konvertere forenkler design af systemer til industriel, medicinsk og transport

Med den øgede brug af elektronik på tværs af industrielle, transportmæssige og medicinske applikationer er designere af understøttende subsystemer til kraft nødt til at sikre høj ydeevne i fysisk og elektrisk krævende miljøer, samtidig med at de overholder strenge lovgivningsmæssige og sikkerhedskrav. Samtidig skal de holde sig inden for stadigt stramme krav til budget- og designplanlægning.

DC/DC-konverteren har udviklet sig dramatisk over tid for at imødekomme mange af disse krav. De er faldet i størrelse for højere effekttæthed for at spare plads og tilbyde brede input-intervaller for at forenkle lagerbeholdningen og sænke BOM (stykliste). Andre forbedringer for at gøre en designers opgave lettere inkluderer output med lav støj, strammere belastningsregulering, stærk beskyttelse og sikkerhedsfunktioner og bemærkelsesværdig opmærksomhed på termisk styring. Som designere måske forventer er ikke alle DC/DC-konvertere de samme, hvilket kræver, at de diskriminerer i deres valg for at sikre design og applikationssucces.

Denne artikel indeholder DC/DC-konvertere fra Bellnix , HVM-teknologi , Murata Power Solutions , Vicor og XP Power der er kompakte, sikrer lav rippelstøj og tager højde for enkel og dobbelt output-spændinger. Det vil også fremhæve og forklare funktioner og forbedringer, og hvordan de kan hjælpe designere med at øge kapacitetens justeringsfunktioner, sænke støj, sikre selvbeskyttelse og give bedre termisk styring.

Sådan fungerer DC/DC-konvertere

Som navnet antyder, tager en DC/DC-konverter en spænding som input fra en DC-kilde og konverterer den til et output men en anden DC-spænding. Outputtet kan enten være lavere (buck-konverter) eller højere (boost-konverter) end input-spændingen. DC/DC-konvertere er enten isolerede eller ikke isolerede. En isoleret DC/DC-konverter bruger en transformer til at eliminere DC-banen mellem input og output (figur 1).

Figur 1: Denne DC/DC-konverter er isoleret som indikeret af transformeren mellem input- og output-trinnene. (Billedkilde: XP Power)

I modsætning hertil har DC/DC-konvertere uden isolering, der ofte bruges, når ændringen i spænding er lille, en DC-bane mellem input og output.

Nøglepræstation og designovervejelser

De vigtigste ydeevneegenskaber for DC/DC-konvertere inkluderer effektivitet, strøm-klassificering, rippelspænding, regulering, kortvarig respons, spændings-klassificering, størrelse og vægt. For mere om disse, se “ Introduktion til DC/DC-konvertere .” Designere skal også være opmærksomme på en konverteres evne til at understøtte en bred vifte af nominelle input-spændinger. Dette gør det muligt for en konverter at understøtte mange applikationer, reduktion af lager og logistik, under forudsætning af, at den også er i stand til at levere den nødvendige output-spænding og strømstyring, der kræves til de forventede belastninger.

Afhængig af anvendelsen og strømkildens art er beskyttelse mod overspænding, underspænding, omvendt polaritet, kortslutning og forhold over temperaturer også afgørende. Ligeledes er god elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og elektromagnetisk interferens (EMI) overholdelse et must. Dette er især vigtigt i betragtning af at switching-strømforsyningerne, der anvendes i DC/DC-konvertere, kan indføre støj direkte i belastningen og kan udsende RF-støj, der kan påvirke stabiliteten og nøjagtigheden af nærliggende kredsløb.

Endelig skal designere omhyggeligt gennemgå de termiske egenskaber for konverteren i sammenhæng med applikationens design og driftsbetingelser, så passende ventilation og andre termiske styringsteknikker kan anvendes efter behov.

Mindre er bedre for DC/DC-konvertere

Flere applikationer kræver DC/DC-konvertere i kompakte formfaktorer for at spare plads og forenkle installationen. Til sådanne applikationer konstruerede Bellnix OHV-serien på 1,5 watt mellem-til-høj spænding DC/DC-konverter specifikt for at reducere det nødvendige monteringsområde med næsten 60 % sammenlignet med moduler, der var tilgængelige på udviklingenstidspunktet. En eksempel er OHV12-1.0K1500P. En system-i-pakke (SiP), der måler 44 x 16 x 30 millimeter (mm), og som udsender 1000 volt ved 1,5 milliamper (mA) (figur 2). Bellnix designede også serien for at holde rippelstøj til så lav som 5 millivolt (mV) peak-til-peak ( _PP ).

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

Serien fungerer fra en 11 volt til 13 volt input ved 0,28 A. Herfra kan det udsendes mellem nul og +/- 1000 volt (0 til 1,5 mA), 1500 volt (0 til 1,0 mA) og 2000 volt (0 til 0,7 mA), afhængigt af modellen.

Enhedernes lave rippelstøj på 5 mV _PP er vigtig for applikationer såsom instrumentering, hvor enhver ustabilitet i højspændingsforsyningen kan inducere støj og påvirke udstyrets nøjagtighed. Bellnix har udviklet sin egen kredsløbsteknologi for at holde støj til et minimum, og selvom enhederne er selvstændige, uden at kræve eksterne komponenter, kan designere tilføje komponenter for yderligere at reducere støj og også reducere input-impedansen (figur 3).

Figur 3: For at reducere indgangs-impedansen på grund af ledningslængde mellem forsyningen og omformeren, kan designere tilføje kondensator C1 på terminalsiden. For yderligere at reducere støj kan C2 tilføjes på tværs af belastningen. (Billedkilde: Bellnix)

For at reducere indgangs-impedansen forårsaget af udvidet afstand mellem konverteren og strømforsyningen kan kondensator C1 for eksempel tilføjes ved indgangen. Denne kondensator skal placeres på terminalsiden af konverteren for at reducere leder-induktansen. For at reducere støj kan en kondensator (C2) placeres omhyggeligt i nærheden af belastningen, så den har mindst ledningsindgang til input-output, med særlig opmærksomhed på krybe- og rumlige afstande.

Alle enheder i linjen har indbygget beskyttelse mod kortslutning og overstrøm, og de øger strømforsyningens pålidelighed yderligere med et 5-sidet metalhus, der bruger yderligere afskærmning for at beskytte enheden mod overdreven varme og temperatur. Output-spændingen på OHV-serien kan styres fra 0 V til 2000 V ved hjælp af en ekstern spænding eller en ekstern variabel modstand.

For designere af batteridrevne enheder, HVM Technology's nHV-serie tilbyder præcisionsreguleret effekt på 100 mW ved op til 1 kV i en pakke, der måler 11,4 mm x 8,9 mm, med en højde på 9,4 mm. Specifikt er belastningsreguleringen <0,2% (typisk) fra ingen belastning til fuld belastning.

NHV-serien tager en 5 volt input (4,5 volt ±0,5 volt). Afhængig af modellen varierer output-spændingen mellem -1200 volt ( NHV0512N ) og 1200 volt ( NHV0512 ) ved 83 mikroamper (µA) til -100 volt ( NHV0501N ) og 100 volt ( NHV0501 ) ved 1 mA.

Serien anvender en programmeringsindgang med høj impedans (100 kΩ) for at gøre enhederne lette at installere og eliminere behovet for en justerbar strømkildespænding med lav impedans. Output-spændingen er uafhængig af input-spændingen og er i stedet proportional med programmeringsspændingen for at sikre robust linearitet.

Bredt inputområde

Ligesom nHV-serien XP Power's DTJ15 og DTJ20 serien på 15 watt og 20 watt DC/DC-konvertere er også miniaturiserede for nem installation og strømeffektiv drift, men med en drejning: De kan installeres på et chassis eller en DIN-skinne og tilsluttes via skrueterminaler (figur 4).

Figur 4: DTJ15- og DTJ20-serien DC/DC-konvertere er optimeret til lille størrelse, kan let installeres ved hjælp af en DIN-skinne og har et bredt input-spændingsområde. (Billedkilde: XP Power)

Udover let installation er det, der er vigtigt ved disse strøm-konvertere er deres evne til at dække et bredt DC-spændings input-område, der spænder fra 9 volt til 36 volt og 18 volt til 75 volt. En række input-kilder, inklusive flere nominelle batterispændinger og køretøjsforsyninger, giver disse konvertere mulighed for at betjene en bred vifte af industrielle, kommercielle og kommunikationsapplikationer.

Tilsammen tilbyder DTJ15- og DTJ20-serien DC/DC-controllere i alt 14 varianter med enkelt output-enheder, der leverer spændinger på 3,3 volt, 5,0 volt, 12,0 volt og 15,0 volt, og dobbel output-enheder, der leverer ±5,0 volt, ±12,0 volt henholdsvis ±15,0 volt (figur 5).

Figur 5: DTJ15- og DTJ20-serien DC/DC-konvertere er bemærkelsesværdige for deres brede input-spændingsområde såvel som deres output-område, hvor sidstnævnte giver i alt 14 varianter. Billedet viser output til DTJ15, 15 watt konverter. (Billedkilde: XP Power)

En fjern ON/OFF-funktion gør det muligt for DC/DC-konvertere at blive styret af software, som hjælper med at kontrollere det samlede strømforbrug, så fjerninstallationer kan fungere effektivt.

En anden vigtig funktion ved DTJ15- og DTJ20-seriens DC/DC-konvertere er den bløde start, der ramper output-spændingen ved at modulere den interne fejlforstærker-reference. Dette får udgangsspændingen til at nærme sig en stykkevis lineær rampe, der afsluttes, når spændingen når den nominelle output-spænding. Andre beskyttelsesfunktioner, der tilbydes af DTJ15- og DTJ20-seriens controllere inkluderer kortslutningsbeskyttelse og indgangs-polaritetsbeskyttelse.

Beskyttelsesfunktioner portefølje

Kraftsystemdesign til jernbane-, industri- og transportapplikationer kræver hurtige afregningstider for kortvarige trin-belastninger. Andre kortvarige begivenheder, såsom svingninger i input- og output-spændingen, gør selvbeskyttelsesfunktionerne kritiske for sikker og pålidelig drift af DC/DC-konvertere.

Ved strømbegrænsning, også kaldet effektbegrænsning, så snart output-strømmen stiger til ca. 130 % af dens nominelle værdi, går DC/DC-konverteren til en strømbegrænsende tilstand. Som et resultat vil output-spændingen begynde at falde forholdsmæssigt for at opretholde noget konstant effekttab.

Hvis omgivelsesforholdene får DC/DC-konverterens temperatur til at stige over dens designede driftstemperatur, slukker en præcisions-temperatursensor enheden. Når den interne temperatur falder under tærsklen for temperatursensoren, starter DC/DC-konverteren selvstart.

Muratas IRE-Q12-serien af isolerede DC/DC-konvertere har selvbeskyttelsesfunktioner for at sikre, at der ikke er nogen negative effekter fra højere kapacitive belastninger (figur 6). F.eks IRE-12/10 Q12PF-C indeholder alle relevante selvbeskyttelsesfunktioner, mens de opfylder kravene i EN50155 for at lette nominelle batterispændinger under brownout og kortvarige forhold.

Figur 6: IRE-Q12-seriekonvertere gennemgår omfattende test for at sikre, at de kan modstå de barske miljøforhold, der typisk findes i jernbane- og industrielle applikationer. (Billedkilde: Murata)

IRE-Q12-seriens konvertere leverer et enkelt isoleret output på 120 watt fra et input-spændingsområde på 9 volt til 36 volt i en standard pakke med 8-lag og fodaftryk. Det giver også to basispladeindstillinger, den ene til minimalt forbrug af pladepladsen, den anden en slidset flange til mekanisk fastgørelse på en køleplade.

Outputet fra disse DC/DC-konvertere kan trimmes +/- 10 % for at sikre hurtige indstillingstider til kortvarige trinbelastninger. Desuden testes og specificeres alle konvertere for indgangsreflekteret rippelstrøm, indgangsterminal rippelstrøm og udgangsstøj.

Standalone og array strømtilstande

Vicor s DCM2322 er en isoleret DC / DC-konverter-serie, der fungerer fra uregulerede DC-input, der spænder fra 9 volt til 50 volt for at generere et isoleret 28 volt output (figur 7). Det er baseret på virksomhedens dobbeltklemme nulspændingsomskifter (DC-ZVS) topologi, der hjælper det med at levere en høj effektivitet på 93% over hele input-spændingsområdet.

Figur 7: DC-ZVS-topologien gør det muligt for DCM2322-konvertere at opnå op til 93% effektivitet. (Billedkilde: Vicor)

DC/DC-konvertermodulet (DCM) enheder, såsom DCM2322T50T3160T60 , udnyt fordelene ved varme og densitet ved Vicors ChiP-emballageteknologi, der distribuerer den internt genererede varme jævnt over emballagens overflade. ChiP-teknologien gør det også muligt for DCM-konvertere at tilbyde fleksible termiske styringsmuligheder med meget lave termiske impedanser på toppen og undersiden.

Den effektive termiske distribution giver DCM-enheder mulighed for at tilslutte forbindelser fra forskellige uregulerede strømkilder til belastningspunktet. De giver både fejlbeskyttelse til indgang og udgangsspænding og andre fejlhåndteringsmekanismer, der lukker konverterne, når der opdages en fejl (figur 8).

Figur 8: DCM-konvertere letter funktionen til overvågning af fejlovervågning samt sikkerhedsfunktioner, der inkluderer strømbegrænsning og soft-start-kontrol. (Billedkilde: Vicor)

Disse funktioner tillader DCM-konvertere at tilvejebringe en reguleret output-spænding omkring definerede nominelle belastningslinjer og temperaturkoefficienter. Hvis den indvendige temperatur på konverteren overskrider dennes grænse, registreres en temperaturfejl, og drivhjulet stopper straks med at skifte. Konverteren venter på, at den interne temperatur vender tilbage til den givne tærskel og genstarter derefter igen.

Desuden tilvejebringer disse DC/DC-konvertere integreret EMI-filtrering, stram regulering af output-spændings og en sekundær refereret kontrolinterface, mens de grundlæggende designfordele ved den konventionelle murstens-arkitektur bevares.

I applikationer, der kræver mere strøm end en enkelt DC/DC-konverter kan levere, såsom datacentre og telekommunikationsudstyr, kan flere enheder bruges parallelt. Flere DCM-konvertere kan kobles parallelt i array-tilstand for større strømkapacitet via belastningsdeling, selv når de kører fra forskellige input-spændingsforsyninger. Vicor har kvalificerede arrays på op til otte DC/DC-konvertere til 480 watt kapacitet.

Konklusion

For designere af strømforsyninger til understøttelse af elektroniske systemer til industrielle, medicinske, transport- og instrumenteringsapplikationer er kompleksiteten og de dertil knyttede omkostninger mange, fra behovet for brede input-spændingsområder til termisk styring og deling af belastning. Som vist har DC/DC-konvertere imidlertid udviklet sig til stadig mindre, let at installere, selvforsynende strømforsyninger, der eliminerer mange af disse kompleksiteter.

For designere, der leder efter bedre ydelse, kan der stadig tilføjes yderligere komponenter. Hvor der kræves mere fleksibilitet, er fjerntliggende og programmerbare funktioner i stigende grad tilgængelige for at udføre impedanskompensation og lette en række forskellige beskyttelsesfunktioner for at undgå udbrændthed, reagere på kortvarige forhold og reducere det samlede systemforbrug.

Yderligere læsning

1. Introduktion til DC/DC-konvertere