Geavanceerde DC/DC-convertors vereenvoudigen het ontwerp van industriële, medische en transportmiddelen.

Door het toenemende gebruik van elektronica in industriële, transport- en medische toepassingen moeten ontwerpers van de ondersteunende voedingssubsystemen hoge prestaties garanderen in fysiek en elektrisch veeleisende omgevingen en tevens voldoen aan strenge regelgevings- en veiligheidseisen. Tegelijkertijd moeten zij binnen de steeds krappere budget- en ontwerpbeperkingen blijven.

De DC/DC-omvormer is in de loop der tijd sterk geëvolueerd om aan veel van deze eisen te voldoen. Zij zijn kleiner geworden voor een hogere vermogensdichtheid, om ruimte te besparen, en bieden een breed ingangsbereik om de inventarisatie te vereenvoudigen en de stuklijst (BOM) te verlagen. Andere verbeteringen die de taak van de ontwerper verlichten, zijn geluidsarme uitgangen, een strakkere belastingsregeling, sterke beschermings- en veiligheidsvoorzieningen, en opmerkelijke aandacht voor thermisch beheer. Zoals ontwerpers echter kunnen verwachten, zijn niet alle DC/DC-omzetters gelijk, zodat zij bij hun selectie discriminerend te werk moeten gaan om succes te boeken bij ontwerp en toepassing.

In dit artikel worden DC/DC-omzetters van Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor en XP Power besproken die compact zijn, een lage rimpelspanning hebben en geschikt zijn voor zowel enkelvoudige als dubbele uitgangsspanningen. Ook zullen kenmerken en verbeteringen worden belicht en toegelicht, en zal worden uitgelegd hoe deze ontwerpers kunnen helpen het vermogen aan te passen, de ruis te verlagen, zelfbescherming te garanderen en beter thermisch beheer te bieden.

Hoe DC/DC converters werken

Zoals de naam al aangeeft, neemt een DC/DC-omzetter een spanning als ingang van een gelijkspanningsbron en zet deze om in een uitgang die een andere gelijkspanning heeft. De uitgang kan ofwel lager (buck converter) of hoger (boost converter) zijn dan de ingangsspanning. DC/DC-omzetters zijn ofwel geïsoleerd ofwel niet-geïsoleerd. Een geïsoleerde DC/DC-omzetter maakt gebruik van een transformator om het DC-pad tussen ingang en uitgang te elimineren (figuur 1).

Figuur 1: Deze DC/DC-omzetter is geïsoleerd, zoals aangegeven door de transformator tussen de ingangs- en de uitgangstrap. (Bron afbeelding: XP Power)

Niet-geïsoleerde DC/DC-omzetters daarentegen, die vaak worden gebruikt wanneer de spanningsverandering klein is, hebben een gelijkstroompad tussen ingang en uitgang.

Belangrijkste overwegingen inzake prestaties en ontwerp

De belangrijkste prestatiekenmerken van DC/DC-omzetters zijn efficiëntie, stroomsterkte, rimpelspanning, regeling, transiënte respons, spanningssterkte, afmetingen en gewicht. Zie "Inleiding tot DC/DC-omzetters" voor meer informatie over dezeomzetters Ontwerpers moeten ook rekening houden met het vermogen van een convertor om een breed scala van nominale ingangsspanningen te ondersteunen. Hierdoor kan één converter vele toepassingen ondersteunen - wat de voorraad en logistiek vermindert - mits hij ook de nodige uitgangsspanning en stroomsterkte kan leveren die vereist zijn voor de verwachte belastingen.

Afhankelijk van de toepassing en de aard van de stroombron is ook bescherming tegen overspanning, onderspanning, omgekeerde polariteit, kortsluiting en te hoge temperatuur van cruciaal belang. Ook een goede elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en elektromagnetische interferentie (EMI) zijn een must. Dit is bijzonder belangrijk omdat de schakelende voedingen die in DC/DC-omzetters worden gebruikt, ruis rechtstreeks in de belasting kunnen introduceren en RF-ruis kunnen uitstralen die de stabiliteit en nauwkeurigheid van nabijgelegen circuits kan beïnvloeden.

Ten slotte moeten ontwerpers de thermische kenmerken van de convertor zorgvuldig beoordelen in de context van het ontwerp en de bedrijfsomstandigheden van de toepassing, zodat passende ventilatie- en andere thermische beheerstechnieken kunnen worden toegepast wanneer dat nodig is.

Kleiner is beter voor DC/DC converters

Diverse toepassingen vereisen DC/DC-omzetters in compacte vormfactoren om ruimte te besparen en de installatie te vereenvoudigen. Voor dergelijke toepassingen heeft Bellnix de OHV-serie van 1,5 watt midden-hoogspannings DC/DC-omzetters speciaal ontworpen om het vereiste montageoppervlak met bijna 60% te verminderen, vergeleken met de modules die ten tijde van de ontwikkeling beschikbaar waren. Een voorbeeld is de OHV12-1.0K1500P, een system-in-package (SiP) met afmetingen van 44 x 16 x 30 millimeter (mm) en een uitgangsspanning van 1000 volt bij 1,5 milliampère (mA) (figuur 2). Bellnix heeft de serie ook ontworpen om de rimpelspanning zo laag mogelijk te houden, namelijk 5 millivolt (mV) piek-tot-piek_(P-P).

Figuur 2: De ultracompacte OHV12-1.0K500P converter van Bellnix meet 44 x 16 x 30 mm en levert 1000 volt bij 1,5 mA. (Afbeelding bron: Bellnix)

De serie werkt op een ingangsspanning van 11 tot 13 volt bij 0,28 ampère (A). Hiervan kan hij, afhankelijk van het model, een uitgangsspanning geven tussen nul en +/- 1000 volt (0 tot 1,5 mA), 1500 volt (0 tot 1,0 mA), en 2000 volt (0 tot 0,7 mA).

De lage rimpelruis van 5 mVP-P van de apparaten is belangrijk voor toepassingen zoals instrumentatie, waar elke instabiliteit in de hoogspanningsvoeding ruis kan induceren en de nauwkeurigheid van de apparatuur kan beïnvloeden. Bellnix heeft zijn eigen circuittechnologie ontwikkeld om de ruis tot een minimum te beperken, en hoewel de apparaten op zichzelf staan - er zijn geen externe componenten nodig - kunnen ontwerpers componenten toevoegen om de ruis verder te beperken en ook de ingangsimpedantie te verlagen (figuur 3).

Figuur 3: Om de ingangsimpedantie als gevolg van de kabellengte tussen de voeding en de convertor te verminderen, kunnen ontwerpers condensator C1 aan de klemzijde toevoegen. Om de ruis verder te verminderen, kan C2 over de belasting worden toegevoegd. (Afbeelding bron: Bellnix)

Om bijvoorbeeld de ingangsimpedantie te verminderen die wordt veroorzaakt door de grote afstand tussen de convertor en de voeding, kan condensator C1 aan de ingang worden toegevoegd. Deze condensator moet aan de klemzijde van de convertor worden geplaatst om de inductie van de geleider te beperken. Om de ruis te verminderen kan een condensator (C2) zorgvuldig in de buurt van de belasting worden geplaatst, zodanig dat de bedrading tussen ingang en uitgang minimaal is, met speciale aandacht voor kruipwegen en ruimtelijke afstanden.

Alle apparaten in de lijn hebben een ingebouwde kortsluit- en overstroombeveiliging, en de betrouwbaarheid van de voeding wordt verder verhoogd met een vijfzijdige metalen behuizing die het apparaat extra afschermt tegen overmatige hitte en temperatuur. De uitgangsspanning op de OHV serie kan worden geregeld van 0 V tot 2000 V door een externe spanning of een externe variabele weerstand.

Voor ontwerpers van door batterijen gevoede apparaten biedt de nHV-serie van HVM Technology nauwkeurig geregeld vermogen van 100 milliwatt (mW) bij maximaal 1 kilovolt (kV) in een pakket van 11,4 mm x 8,9 mm, met een hoogte van 9,4 mm. Meer bepaald is de belastingsregeling < 0,2% (typisch) van geen belasting tot volle belasting.

De nHV-serie heeft een ingangsspanning van 5 volt (4,5 volt ± 0,5 volt). Afhankelijk van het model varieert de uitgangsspanning tussen -1200 volt(NHV0512N) en 1200 volt(NHV0512) bij 83 microampère (µA), tot -100 volt(NHV0501N) en 100 volt(NHV0501) bij 1 mA.

De serie maakt gebruik van een programmeeringang met hoge impedantie (100 kilohms (kΩ)) om de apparaten gemakkelijk te kunnen installeren en de noodzaak van een laagohmige regelbare voedingsbronspanning weg te nemen. De uitgangsspanning is onafhankelijk van de ingangsspanning en is in plaats daarvan evenredig met de programmeerspanning om een robuuste lineariteit te waarborgen.

Breed ingangsbereik

Net als de nHV-serie zijn ook de 15 watt en 20 watt DC/DC omzetters DTJ15 en DTJ20 van XP Power geminiaturiseerd voor eenvoudige installatie en energie-efficiënte werking, maar met een twist: ze kunnen worden geïnstalleerd op een chassis of DIN-rail en worden aangesloten via schroefklemmen (figuur 4).

Figuur 4: De DC/DC-omzetters van de DTJ15- en DTJ20-serie zijn geoptimaliseerd voor kleine afmetingen, kunnen gemakkelijk op een DIN-rail worden geïnstalleerd en beschikken over een breed ingangsspanningsbereik. (Bron afbeelding: XP Power)

Behalve de gemakkelijke installatie is het belangrijkste van deze spanningsomzetters dat zij een breed ingangsspanningsbereik kunnen bestrijken, van 9 volt tot 36 volt, en van 18 volt tot 75 volt. Dankzij een verscheidenheid aan ingangsbronnen, waaronder meerdere nominale batterijspanningen en voertuigvoedingen, kunnen deze converters worden gebruikt voor een breed scala van industriële, commerciële en communicatietoepassingen.

Samen bieden de DC/DC-controllers van de DTJ15- en DTJ20-serie in totaal 14 varianten, met apparaten met één uitgang voor spanningen van 3,3 volt, 5,0 volt, 12,0 volt en 15,0 volt, en apparaten met twee uitgangen voor respectievelijk ±5,0 volt, ±12,0 volt en ±15,0 volt (figuur 5).

Figuur 5: De DC/DC-omzetters van de DTJ15- en DTJ20-serie vallen op door hun brede bereik van de ingangsspanning, alsook door hun uitgangsbereik, dat in het laatste geval in totaal 14 varianten omvat. De afbeelding toont het vermogen voor DTJ15, 15 watt convertor. (Afbeelding bron: XP Power)

Dankzij een aan/uit-functie op afstand kunnen de DC/DC-omzetters softwarematig worden aangestuurd, waardoor het totale stroomverbruik kan worden beheerst en afgelegen installaties efficiënt kunnen werken.

Een ander belangrijk kenmerk van de DTJ15 en DTJ20 serie DC/DC converters is de soft start die de uitgangsspanning verhoogt door de interne foutversterkerreferentie te moduleren. Hierdoor benadert de uitgangsspanning een stuk voor stuk lineaire helling, die eindigt wanneer de spanning de nominale uitgangsspanning bereikt. Andere beveiligingsfuncties die de regelaars van de DTJ15- en DTJ20-serie bieden, zijn bescherming tegen kortsluiting en ompoling van de ingang.

Portfolio met beschermingskenmerken

Stroomsysteemontwerpen voor spoorweg-, industriële en transporttoepassingen vereisen snelle setteltijden voor transiënte stapbelastingen. Andere transiënte gebeurtenissen zoals oscillaties in de ingangs- en uitgangsspanning maken de zelfbeschermingskenmerken van cruciaal belang voor de veilige en betrouwbare werking van DC/DC-omzetters.

Bij stroombegrenzing, ook wel vermogensbegrenzing genoemd, gaat de DC/DC-omzetter in een stroombegrenzende modus zodra de uitgangsstroom toeneemt tot ongeveer 130% van de nominale waarde. Als gevolg daarvan zal de uitgangsspanning evenredig gaan dalen om de vermogensdissipatie enigszins constant te houden.

Als door omgevingsfactoren de temperatuur van de DC/DC converter boven de ontworpen bedrijfstemperatuur stijgt, zal een precisie-temperatuursensor de eenheid uitschakelen. Zodra de interne temperatuur daalt tot onder de drempel van de temperatuursensor, zal de DC/DC converter zichzelf opstarten.

Murata's IRE-Q12-serie van geïsoleerde DC/DC-omzetters beschikt over zelfbeschermingsfuncties om ervoor te zorgen dat er geen nadelige effecten zijn van hogere capacitieve belastingen (figuur 6). Zo bevat de IRE-12/10-Q12PF-C alle relevante zelfbeschermingsfuncties en voldoet hij tegelijk aan de EN50155-vereisten voor het vergemakkelijken van nominale batterijspanningen tijdens brown-out- en transiënte omstandigheden.

Figuur 6: De converters van de IRE-Q12-serie ondergaan uitgebreide tests om te garanderen dat ze bestand zijn tegen de zware omgevingsomstandigheden die typisch zijn voor spoorweg- en industriële toepassingen. (Afbeelding bron: Murata)

De omvormers van de IRE-Q12 serie leveren één geïsoleerde uitgang van 120 watt voor een ingangsspanningsbereik van 9 tot 36 volt in een standaard achtste-ste-steen pakket en voetafdruk. Hij biedt ook twee baseplate-opties, de ene voor een minimaal ruimtegebruik op de printplaat, de andere een flens met sleuven voor mechanische bevestiging aan een koellichaam.

De uitgang van deze DC/DC converters kan met +/-10% worden getrimd om snelle settling-tijden voor transiënte stapbelastingen te garanderen. Bovendien zijn alle converters getest en gespecificeerd voor de ingangsweerkaatsingsrimpelstroom, de ingangsklemrimpelstroom en de uitgangsruis.

Standalone en array power modes

Vicor's DCM2322 is een geïsoleerde DC/DC converter serie die werkt met ongeregelde DC ingangen variërend van 9 volt tot 50 volt om een geïsoleerde 28 volt uitgang te genereren (figuur 7). Hij is gebaseerd op de DC-ZVS-topologie (double clamped zero-voltage switching) van het bedrijf, die zorgt voor een hoog rendement van 93% over het volledige bereik van de ingangsspanning.

Figuur 7: De DC-ZVS topologie maakt het mogelijk dat DCM2322 converters een efficiëntie tot 93% bereiken. (Bron afbeelding: Vicor)

De DC/DC converter module (DCM) units, zoals de DCM2322T50T3160T60, maken gebruik van de thermische en dichtheidsvoordelen van Vicor's ChiP verpakkingstechnologie die de intern gegenereerde warmte gelijkmatig over het oppervlak van het pakket verdeelt. Dankzij de ChiP-technologie bieden de DCM-converters ook flexibele opties voor thermisch beheer met zeer lage thermische impedanties aan de boven- en onderzijde.

Dankzij de efficiënte thermische distributie kunnen de DCM-eenheden worden aangesloten op een groot aantal ongeregelde stroombronnen tot op het punt van belasting. Zij bieden zowel ingangs- als uitgangsoverspanningsbeveiliging en andere storingsbehandelingsmechanismen die de converters uitschakelen wanneer een storing wordt gedetecteerd (figuur 8).

Figuur 8: De DCM-omzetters bieden mogelijkheden voor storingsbewaking en veiligheidsvoorzieningen zoals stroombegrenzing en soft-startregeling. (Bron afbeelding: Vicor)

Dankzij deze kenmerken kunnen de DCM-omzetters een geregelde uitgangsspanning leveren rond gedefinieerde nominale belastingslijn- en temperatuurcoëfficiënten. Als de interne temperatuur van de convertor zijn limiet overschrijdt, wordt een temperatuurstoring geregistreerd en stopt de aandrijflijn onmiddellijk met schakelen. De omzetter wacht tot de interne temperatuur weer de gegeven drempelwaarde heeft bereikt en start dan opnieuw.

Bovendien bieden deze DC/DC-omzetters geïntegreerde EMI-filtering, een strakke uitgangsspanningsregeling en een secundair gerefereerde besturingsinterface met behoud van de fundamentele ontwerpvoordelen van de conventionele bouwsteenarchitectuur.

In toepassingen die meer vermogen vergen dan een enkele DC/DC converter kan leveren, zoals datacentra en telecommunicatieapparatuur, kunnen meerdere apparaten parallel worden gebruikt. Meerdere DCM-omzetters kunnen parallel worden geschakeld in de array-modus voor een hogere vermogenscapaciteit via het delen van de belasting, zelfs wanneer ze werken met verschillende ingangsspanningen. Vicor heeft arrays van maximaal acht DC/DC converters gekwalificeerd voor een vermogen van 480 watt.

Conclusie

Voor ontwerpers van voedingen ter ondersteuning van elektronische systemen voor industriële, medische, transport- en instrumentatietoepassingen zijn de complexiteiten en de daarmee gepaard gaande kosten talrijk, gaande van de behoefte aan brede ingangsspanningsbereiken tot thermisch beheer en belastingsverdeling. DC/DC-omzetters zijn echter geëvolueerd tot steeds kleinere, gemakkelijk te installeren, autonome voedingen die veel van die complexiteiten wegnemen.

Toch kunnen voor ontwerpers die betere prestaties wensen, extra componenten worden toegevoegd. Ook zijn er, wanneer meer flexibiliteit vereist is, steeds meer op afstand programmeerbare functies beschikbaar om impedantiecompensatie uit te voeren en een verscheidenheid van beveiligingsfuncties te vergemakkelijken om burnouts te voorkomen, op transiënte omstandigheden te reageren en het totale stroomverbruik van het systeem te verminderen.

Verdere lectuur

1. Inleiding tot DC/DC-omzetters