Brug isolerede DC-DC-konvertere med indlejrede transformere til at lette montering

I jagten på at reducere omkostninger og plads er monolitiske DC-DC-konvertere en god løsning til mange applikationer med stort volumen, men de kan ikke bruges i designs, der kræver elektrisk isolering af strømforsyningsindgangen fra output. Medicinsk udstyr er et godt eksempel. Typisk kan kortmonterede isolerede forsyninger bruges i stedet, men disse er afhængige af en transformer for at opnå den krævede elektriske isolering og derved sænke effektiviteten og øge omkostningen, størrelsen og vægten af løsningen. Transformatoren introducerer også variation i DC-DC-konverterens ydeevne og vanskeliggør automatiseret samling med høj lydstyrke.

For at tackle mange af disse udfordringer kan designere henvende sig til isolerede DC-DC-konvertermoduler, der har transformeren indlejret i konverterens substrat.

Denne artikel forklarer de omstændigheder, der kræver brug af isolerede DC-DC-konvertere. Derefter introducerer den eksempler på løsninger fra Murata Electronics og viser, hvordan de kan bruges til at opnå isolering uden de store designkompromiser, der typisk er forbundet med transformatorbaserede isolerede DC-DC-konvertere. Artiklen beskriver også, hvordan konverterens pakke imødekommer behovet for højt niveau, automatisk overflademontering, og viser, hvordan man designer de isolerede DC-DC-konvertere til produkter med minimal spænding og strømkrusning og reduceret elektromagnetisk interferens (EMI).

Hvornår skal man bruge en isoleret konverter

I en konventionel DC-DC-konverter tillader et enkelt reguleringskredsløb, at strøm flyder direkte fra input til output. Dette reducerer kompleksitet, størrelse og pris. Men der er mange applikationer, der kræver galvanisk isolering (fra nu af kaldet "isolation") for elektrisk at adskille enhedens indgangs- og udgangssider. For eksempel kan sikkerhedskrav diktere brugen af en isoleret DC-DC-konverter - ved hjælp af en transformer (eller i nogle tilfælde koblede induktorer) til at overføre spænding og strøm over afstanden mellem indgangs- og udgangssiderne - især hvis indgangssiden er tilsluttet til spændinger, der er høje nok til at bringe mennesker i fare. Isolerede DC-DC-konvertere er også nyttige til nedbrydning af jordsløjfer og adskiller således dele af et kredsløb, der er følsomme over for støj, fra kilderne til denne støj (figur 1).

Figur 1: En grundlæggende, ikke-isoleret DC-DC-konverter (øverst) sammenlignet med en isoleret version (nederst) ved hjælp af en transformer til galvanisk isolering. (Billedkilde: DigiKey)

Et andet træk ved en isoleret DC-DC-konverter er et flydende output. Mens sådanne konvertere leverer en fast spænding mellem udgangsterminalerne, har de ikke en defineret eller fast spænding i forhold til spændingsniveauerne i de kredsløb, hvorfra de er blevet isoleret (dvs. de "flyder"). Der er mulighed for at forbinde en isoleret DC-DC-konverteres flydende output til et kredsløbsknudepunkt på udgangssiden for at fastgøre dens spænding, som derefter gør det muligt at skifte eller vende udgangen i forhold til et andet punkt i udgangssidekredsen. På grund af adskillelsen af input- og outputkredsløb skal designeren sikre, at begge kredsløb har deres egne grundreferencer.

Dataarket for en given DC-DC-konverter angiver typisk dens isolationsspænding - det maksimale, der kan anvendes i en defineret (kort) tid uden strøm, der dækker dette hul. Derudover beskriver databladet den maksimale driftsspænding, der kontinuerligt kan modstå uden at bryde isolationen.

Isolering medfører nogle kompromiser. For det første har isolerede konvertere tendens til at være dyrere, fordi transformatoren (typisk brugerdefineret) er dyrere end den tilsvarende (off-the-shelf) induktor, der bruges i den ikke-isolerede version. Jo højere isolation, der kræves, jo større omkostninger.

For det andet har isolerede DC-DC-konvertere tendens til at være større end ikke-isolerede versioner; transformatoren er generelt større end den tilsvarende induktor, og induktoren har tendens til at fungere ved højere skiftefrekvenser, hvilket yderligere reducerer dens størrelse sammenlignet med transformatoren.

For det tredje har effektiviteten, reguleringen og repeterbarheden af ydeevne fra komponent-til-komponent af isolerede DC-DC-konvertere tendens til at være ringere end ikke-isolerede konvertere. Transformatoren introducerer nogle ineffektiviteter sammenlignet med en induktor, og isolationsbarrieren forhindrer output i at blive registreret direkte og tæt kontrolleret for bedre regulering og forbigående ydeevne. Fordi de er mindre, kan ikke-isolerede DC-DC-konvertere placeres tæt på belastningen for at reducere transmissionslinjeeffekter og yderligere skubbe effektiviteten. Da transformeren i isolerede konvertere typisk er en specialfremstillet enhed, leverer ikke to enheder nøjagtigt det samme output.

Endelig kan denne transformer også komme i vejen for en effektiv samleproces med stort volumen. Profilen på den isolerede DC-DC-konverter med en transformer gør den uegnet til automatisk samling, hvilket dikterer, at den skal føjes til printkortet manuelt.

Isoleret DC-DC konverter valg

Hvis designerens applikation kræver isolering af sikkerhed eller af andre årsager, skal de tidligere beskrevne afvejninger imødekommes. Flittig komponentforskning kan afsløre nogle nyere løsninger, der er designet til at minimere virkningen af designkompromiserne.

For eksempel har Murata for nylig introduceret sin NXE (Figur 2) og NXJ2 serie af isolerede DC-DC konvertere. Disse er designet til at tackle nogle af de traditionelle udfordringer, som isolerede DC-DC-konvertere præsenterer.

Figur 2: Muratas NXJ2 og NXE (vist) isolerede DC-DC konvertere inkluderer en transformer indlejret i komponentens substrat for at reducere produktets størrelse. (Billedkilde: Murata Electronics)

NXE-serien tilbyder op til 2 watt med 5 og 12 volt inputmuligheder og 5, 12 og 15 volt outputmuligheder. Indgangs- og udgangsstrøm varierer med spænding, men varierer fra 542 milliampere (mA) input/400 mA udgang for 5/5 volt produkt til 205/133 mA for 12/15 volt produkt. Produktsortimentet har skiftefrekvenser fra 100 til 130 kilohertz (kHz), afhængigt af modellen.

Tilsvarende er NXJ2-serien et design på 2 watt med 5, 12 og 24 volt inputmuligheder og 5, 12 og 15 volt outputmuligheder. Indgangs- og udgangsstrøm varierer fra 550 mA input/400 mA output for 5/5 volt produkt til 105/133 mA for 24/15 volt produkt. Produkterne har skiftefrekvenser fra 95 til 140 kHz.

De Murata-isolerede DC-DC-konvertere tackler udfordringerne ved automatiseret fremstilling ved at integrere transformeren i enhedens substrat. Transformatoren er dannet af alternative lag af FR4 - det glasforstærkede epoxylaminat, der ofte bruges som basis for printkort - og kobber for at skabe viklingerne omkring den indlejrede kerne. Den indlejrede transformerkonstruktion hævdes at hjælpe varmeafledning og forbedre ydeevne repeterbarhed mellem komponenter.

Resultatet er en lavprofil (under 4,5 mm (mm)), kompakt (15,9 x 11,5 mm til 5 og 12 volt versioner og 16 x 14,5 mm til 24 volt version), der er egnet til tape- og rulleemballage, der kan være opsamlet af vakuumdysen på en automatiseret placeringsmaskine (figur 3).

Figur 3: De NXE-isolerede DC-DC-konvertere er anbragt i en kompakt pakke, der kan bånd- og spolefødes og placeres på pc-kortet ved hjælp af automatisk monteringsudstyr. (Billedkilde: Murata Electronics)

Det integrerede transformer-design resulterer i god elektrisk ydelse sammenlignet med andre isolerede designs. Isolerede DC-DC-konvertere fungerer typisk i effektivitetsområdet 55 til 85 %, når de er under fuld belastning. NXE-serien og NXJ2-serien er omkring 72 % effektive under 100 % belastning med en 5 volt udgang, stiger til 76 % effektiv for en 15 volt udgang og 78 % effektiv for en 24 volt udgang.

Isolerede DC-DC-konvertere mangler generelt den nøjagtige regulering, der er typisk for ikke-isolerede produkter, fordi de ikke har en elektrisk feedback-loop mellem output og input. For NXE-serien er linereguleringen 1,15 %/%, og belastningsreguleringen er mellem 7 og 11%. NXJ2s line regulering er 1 %/% typ for 24 volt input og 1,1 %/% typ for alle andre input typer. Nøjagtigheden af spændingssætpunktet afhænger af output-belastningsstrømmen og den valgte NXE- eller NXJ2-enhed. For eksempel NXE2S1215MC 12 volt input/15 volt output løsning udviser en -2 til -6 % variation i forhold til indstillingspunktet ved fuld outputbelastningsstrøm (figur 4).

Figur 4: Isolerede DC-DC-konvertere mangler den nøjagtige regulering, der er typisk for ikke-isolerede DC-DC-konvertere. Nøjagtigheden af spændingssætpunktet varierer afhængigt af udgangsbelastningsstrømmen. Eksemplet her viser udgangsspændingsnøjagtigheden i forhold til sætpunktet for forskellige belastninger til NXE2S1215MC, Muratas 12 volt input/15 volt output isoleret DC-DC konverter. (Billedkilde: Murata Electronics)

Forståelse af specifikationerne

Elektrisk adskillelse af input fra output er ofte et lovkrav, hvilket gør det vigtigt, at ingeniøren er klar over, hvilke regler der kræves for et givet design. Dette kan være svært, fordi oplysningerne kan være forvirrende.

For eksempel angiver regulatoriske standarder separat den krævede isolering for en komponent og den nødvendige isolering for et slutprodukt - og det er forskelligt for hver. Så for eksempel specifikationsarket for en komponent kan angive, at enheden kan modstå en isolationstestspænding på 2,5 til 5 kilo volt AC, og at den overholder produkt standard IEC 60950-1, når hvad der er vigtigere for designeren er, at isolatorens arbejdsspænding f.eks. er 150 til 600 volt AC, og at den overholder komponentstandard IEC 60747-5-5.

Der skal også udvises forsigtighed med hensyn til den terminologi, der bruges til at beskrive isolationsniveauerne. "Grundlæggende" er et enkelt isolationslag og "Dobbelt" er to lag; “Forstærket” er et enkelt isoleringssystem, der svarer til dobbelt. Standarderne antager, at en enkelt fejl kan forekomme i et isolationslag, så et produkt med et andet isolationslag stadig vil tilbyde beskyttelse. Vigtigere er det, at når en komponent defineres som “Basic” i en komponentstandard, klassificeres den som utilstrækkelig til sikkerhedsbeskyttelse.

Et andet vigtigt aspekt af komponentens isoleringsevne er dens luftafstand og krybeafstand. Luftafstand er den korteste afstand mellem to komponentkredsløb gennem luft, mens krybeafstand er den korteste afstand over en overflade.

Den bedste måde, en designer kan være sikker på isolatorpræstation på, er at kontrollere, at en isolator har VDE- og Underwriters Laboratory (UL) -certificeringer og få en kopi af de faktiske certifikater fra producenten af isolatoren.

I tilfælde af NXE- og NXJ2-serien, hvor FR4 tilvejebringer isolationsbarrieren mellem konverternes primære og sekundære viklinger, er hver komponent testet ved 3 kilovolt DC i et sekund med prøvekvalificering testet ved 3 kilovolt DC i et minut. Isolationsmodstand måles ved 10 gigaohms (GΩ) ved en testspænding på 1 kilovolt DC.

NXE- og NXJ2-serien anerkendes af UL til ANSI/AAMI ES60601-1 og giver en MOOP (middel til operatørbeskyttelse) baseret på en arbejdsspænding på maks. 250 volt rms mellem primær og sekundær spole. UL genkender også DC-DC konvertere mod UL 60950 til forstærket isolering til en arbejdsspænding på 125 volt rms. Enhedens krybeafstand er 2,5 mm og luftafstanden er 2 mm.

Faldende output krusning og EMC

Koblingsspændingskonvertere bærer altid designudfordringer relateret til spænding og strømkrusning genereret af koblingselementerne. Isolerede DC-DC konvertere er ingen undtagelse.

Uden udgangsfilterkredsløb er den typiske udgangsrippel fra NXE DC-DC-konvertere omkring 55 millivolt (mV) peak-to-peak (pp), der stiger til et maksimum på 85 mVp-p. De tilsvarende tal for NXJ2-serien er 70 mVp-p og 170 mVp-p. Mens disse værdier er acceptable for mange applikationer, kræver andre en mere stabil output.

Udgangsfilterkredsløbet vist i figur 5 kan bruges til dramatisk at sænke udgangsstrømmen og spændingsrippel. Værdierne for induktor (L) og kondensator (C) varierer afhængigt af DC-DC-konverterens indgangs- og udgangsspænding. men for eksempel Murata's NXE2S1205MC (12 volt input/5 volt output) produkt kræver en induktor på 22 mikrohenries (µH) og en kondensator på 10 microfarads (µF). Effekten af udgangsfilterkredsløbet er at sænke udgangsspænding og strømrippel til maksimalt 5 mVp-p.

Figur 5: Dette enkle outputfilterkredsløb med passende L- og C-værdier kan reducere den isolerede DC-DC-konverterens udgangsstrøm og spændingsrippel med en størrelsesorden. (Billedkilde: Murata Electronics)

For de bedste resultater skal kondensatorens ækvivalente seriemodstand (ESR) være så lav som muligt, og spændingsvurderingen skal være mindst det dobbelte af den nominelle udgangsspænding for den isolerede DC-DC-konverter. For induktoren bør den nominelle strøm ikke være mindre end udgangen fra DC-DC-konverteren. Ved nominel strøm skal induktorens DC-modstand være sådan, at spændingsfaldet over induktoren er mindre end 2 procent af DC-DC-konverterens nominelle spænding.

Et indgangsfilterkredsløb kan føjes til NXE- og NXJ2-serien for at dæmpe EMI som vist i figur 6. Igen varierer værdierne for L og C afhængigt af DC-DC-konverterens indgangs- og udgangsspænding; men for eksempel kræver Muratas NXE2S1215MC (12 volt input/15 volt output) produkt en induktor på 22 µH og en kondensator på 3,3 µF.

Figur 6: Dette enkle inputfilterkredsløb med passende L- og C-værdier kan reducere EMI-emissionerne fra den isolerede DC-DC-konverter til under dem, der kræves for at opfylde EN 55022-grænserne. (Billedkilde: Murata Electronics)

Som vist i figur 7 muliggør effekten af filtreringen de Murata-isolerede DC-DC-konvertere at opfylde EN 55022 Curve B Quasi-Peak EMC-grænsen. En EMI-strålingsenhed skal forbedre disse grænser for at opfylde EU's EMC-direktiv 2014.

Figur 7: Effekten af det indgangsfilterkredsløb, der er vist i figur 6, er at sænke den isolerede DC-DC-konverter (NXE2S1215MC, i dette tilfælde) EMI-emissioner til under de grænser, der er krævet i EU's EMC-direktiv. (Billedkilde: Murata Electronics)

For mere om filterkredsdesign til DC-DC-konvertere, se den tekniske artikel om DigiKey, Valg af kondensator er nøglen til design af god spændingsregulator.

Konklusion

Isolerede DC-DC-konvertere spiller en vigtig rolle, når regler eller sikkerhedshensyn kræver elektrisk adskillelse af indgangs- og udgangsspændinger. Imidlertid kan isolering ved hjælp af en transformer medføre designkompromiser - især omkostninger, størrelse, præstationsvariabilitet og monteringsudfordringer.

Ingeniører skal være opmærksomme på disse kompromiser og designe produkter i overensstemmelse hermed. For eksempel mangler isolerede DC-DC-konvertere generelt feedback-loop, der giver mulighed for nøjagtig regulering af ikke-isolerede produkter, så udgangsspændinger kan variere mere med belastning fra sætpunktet end med de sidstnævnte komponenter.

Som vist er der DC-DC-løsninger, der i stedet for at bruge en dyr og klodset kortmonteret transformer bruger skiftende lag af FR4 og kobber til at opbygge en transformer indlejret i konverterens substrat. Resultatet er en billigere, kompakt enhed, der viser bedre komponent-til-komponent-elektrisk repeterbarhed og kan håndteres af automatiserede placeringsmaskiner. Disse isolerede DC-DC-konvertere opfylder også relevante standarder for højspændingsisolering og isoleringstest.