Gebruik geïsoleerde DC-DC-convertors met ingebouwde transformators om de montage te vergemakkelijken

Om kosten en ruimte te besparen, zijn monolithische DC-DC-convertors een goede oplossing voor veel toepassingen met een hoog volume, maar ze kunnen niet worden gebruikt in ontwerpen die elektrische isolatie van de voedingsingang van de uitgang vereisen. Medische hulpmiddelen zijn een goed voorbeeld. Meestal kunnen in plaats daarvan op een bord gemonteerde geïsoleerde voedingen worden gebruikt, maar deze zijn afhankelijk van een transformator om de vereiste elektrische isolatie te bereiken, waardoor de efficiëntie wordt verlaagd en de kosten, de omvang en het gewicht van de oplossing toenemen. De transformator introduceert ook variabiliteit in de prestaties van de DC-DC-convertor en maakt een hoog-volume geautomatiseerde assemblage moeilijk.

Om veel van deze uitdagingen het hoofd te bieden, kunnen ontwerpers gebruik maken van geïsoleerde DC-DC-convertormodules die de transformator in het substraat van de convertor hebben ingebed.

In dit artikel wordt uitgelegd onder welke omstandigheden het gebruik van geïsoleerde DC-DC convertors noodzakelijk is. Het introduceert vervolgens voorbeeldoplossingen van Murata Electronics en laat zien hoe ze kunnen worden gebruikt om isolatie te bereiken zonder de grote ontwerpcompromissen die gewoonlijk worden geassocieerd met geïsoleerde DC-DC-convertors op basis van transformators. Het artikel beschrijft ook hoe het pakket van de convertor voldoet aan de behoefte aan een geautomatiseerde opbouwmontage op hoog niveau en laat zien hoe de geïsoleerde DC-DC-convertors kunnen worden ontworpen in producten met een minimale spanning en stroomrimpel en verminderde elektromagnetische interferentie (EMI).

Wanneer een geïsoleerde convertor te gebruiken

In een conventionele DC-DC-convertor zorgt een enkele regelkring ervoor dat de stroom rechtstreeks van de ingang naar de uitgang loopt. Dit vermindert de complexiteit, de omvang en de prijs. Maar er zijn veel toepassingen die een galvanische scheiding nodig hebben (voortaan gewoon "isolatie" genoemd) om de ingangs- en uitgangszijde van het apparaat elektrisch te scheiden. De veiligheidseisen kunnen bijvoorbeeld het gebruik van een geïsoleerde DC-DC-convertor voorschrijven - met behulp van een transformator (of in sommige gevallen gekoppelde inductors) - om spanning en stroom over de spleet tussen de ingangs- en de uitgangszijde over te brengen - vooral als de ingangszijde is aangesloten op spanningen die hoog genoeg zijn om de mens in gevaar te brengen. Geïsoleerde DC-DC-convertors zijn ook nuttig voor het afbreken van aardlussen, waardoor delen van een circuit die gevoelig zijn voor ruis van de bronnen van die ruis worden gescheiden (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een basis niet-geïsoleerde DC-DC-convertor (boven) in vergelijking met een geïsoleerde versie (onder) met behulp van een transformator voor galvanische isolatie. (Bron afbeelding: DigiKey)

Een ander kenmerk van een geïsoleerde DC-DC-convertor is een zwevende uitgang. Hoewel dergelijke convertors een vaste spanning tussen de uitgangsklemmen leveren, hebben ze geen gedefinieerde of vaste spanning ten opzichte van de spanningsniveaus in de circuits waarvan ze zijn geïsoleerd (d.w.z. ze zijn "zwevend"). Er is een optie om de zwevende uitgang van een geïsoleerde DC-DC-convertor aan te sluiten op een circuitknooppunt aan de uitgangszijde om de spanning te fixeren, waardoor de uitgang kan worden verschoven of omgekeerd ten opzichte van een ander punt in het circuit aan de uitgangszijde. Vanwege de scheiding van ingangs- en uitgangscircuits moet de ontwerper ervoor zorgen dat beide circuits hun eigen aardreferenties hebben.

Het gegevensblad van een bepaalde DC-DC-convertor vermeldt gewoonlijk de isolatiespanning - het maximum dat gedurende een bepaalde (korte) tijd kan worden toegepast zonder dat de stroom de kloof overbrugt. Bovendien geeft het gegevensblad de maximale bedrijfsspanning aan die continu kan worden weerstaan zonder de isolatie te doorbreken.

Isolatie brengt wel wat compromissen met zich mee. Ten eerste zijn geïsoleerde transformators doorgaans duurder omdat de (meestal op maat gemaakte) transformator duurder is dan de equivalente (off-the-shelf) inductor die in de niet-geïsoleerde versie wordt gebruikt. Hoe hoger de benodigde isolatie, hoe groter de kosten.

Ten tweede zijn geïsoleerde DC-DC-convertors over het algemeen groter dan niet-geïsoleerde versies; de transformator is over het algemeen groter dan de equivalente inductor en de inductor heeft de neiging om bij hogere schakelfrequenties te werken, waardoor de omvang van de transformator verder afneemt in vergelijking met de transformator.

Ten derde zijn de efficiëntie, de regulering en de herhaalbaarheid van de prestaties van geïsoleerde DC-DC-convertors vaak inferieur aan die van niet-geïsoleerde convertors. De transformator introduceert enkele inefficiënties in vergelijking met een inductor, en de isolatiebarrière voorkomt dat de uitgang direct wordt gedetecteerd en strak wordt gecontroleerd voor een betere regeling en transiënte prestaties. Omdat ze kleiner zijn, kunnen niet-geïsoleerde DC-DC-convertors dicht bij de belasting worden geplaatst om de effecten van de transmissielijn te verminderen en de efficiëntie verder te verhogen. Ook, aangezien de transformator in geïsoleerde convertors typisch een op maat gemaakt apparaat is, bieden geen twee apparaten precies dezelfde uitgang.

Tot slot kan die transformator ook een efficiënt hoogvolume-assemblageproces in de weg staan. Het profiel van de geïsoleerde DC-DC-convertor met een transformator maakt hem ongeschikt voor geautomatiseerde assemblage, waardoor hij met de hand moet worden toegevoegd aan de printplaat.

Selectie van geïsoleerde DC-DC-convertors

Als de toepassing van de ontwerper om veiligheidsredenen of om andere redenen isolatie vereist, dan moeten de eerder beschreven afwegingen worden gemaakt. Diligent componentonderzoek kan enkele nieuwere oplossingen aan het licht brengen die zijn ontworpen om de impact van de ontwerpcompromissen te minimaliseren.

Zo heeft Murata onlangs zijn NXE (Afbeelding 2) en NXJ2-serie geïsoleerde DC-DC-convertors geïntroduceerd. Deze zijn ontworpen om enkele van de traditionele uitdagingen van geïsoleerde DC-DC-convertors aan te gaan.

Afbeelding 2: Murata's NXJ2 en NXE (getoond) geïsoleerde DC-DC-convertors bevatten een transformator ingebed in het substraat van de componenten om de grootte van het product te verminderen. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

De NXE-serie biedt tot 2 watt met 5 en 12 volt invoeropties en 5, 12 en 15 volt uitvoeropties. Ingangs- en uitgangsstroom variëren met de spanning, maar variëren van 542 milliampère (mA) ingang/400 mA uitgang voor het 5/5 volt product tot 205/133 mA voor het 12/15 volt-product. Het productassortiment beschikt over schakelfrequenties van 100 tot 130 kilohertz (kHz), afhankelijk van het model.

Op dezelfde manier is de NXJ2-serie een 2 Watt ontwerp met 5, 12 en 24 volt invoeropties en 5, 12 en 15 volt uitvoeropties. De ingangs- en uitgangsstroom varieert van 550 mA ingangs-/400 mA uitgang voor het 5/5 volt product tot 105/133 mA voor het 24/15 volt product. De producten zijn voorzien van schakelfrequenties van 95 tot 140 kHz.

De Murata geïsoleerde DC-DC-convertors pakken de uitdagingen van de geautomatiseerde productie aan door de transformator in te bedden in het substraat van het apparaat. De transformator wordt gevormd uit alternatieve lagen FR4 - het glasversterkte epoxylaminaat dat vaak wordt gebruikt als basis voor printplaten en koper om de wikkelingen rond de ingebedde kern te creëren. De ingebedde transformatorconstructie wordt geclaimd om de warmteafvoer te bevorderen en de herhaalbaarheid van de prestaties tussen de componenten te verbeteren.

Het resultaat is een laag profiel (minder dan 4,5 millimeter (mm)), compact (15,9 x 11,5 mm voor de 5 en 12 volt versies en 16 bij 14,5 mm voor de 24 volt versie) pakket dat geschikt is voor tape- en rolverpakkingen en dat kan worden opgepakt door de vacuümpijp van een automatische plaatsingsmachine (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De NXE geïsoleerde DC-DC-convertors zijn ondergebracht in een compact pakket dat met behulp van geautomatiseerde assemblageapparatuur op tape en haspel kan worden gevoed en op de printplaat kan worden geplaatst. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Het ingebedde transformatorontwerp resulteert in goede elektrische prestaties in vergelijking met andere geïsoleerde ontwerpen. Geïsoleerde DC-DC-convertors werken doorgaans in het 55 tot 85% efficiëntiebereik bij volle belasting. De NXE-serie en NXJ2-serie zijn ongeveer 72% efficiënt bij een belasting van 100% met een uitgang van 5 volt, oplopend tot 76% efficiënt bij een uitgang van 15 volt en 78% efficiënt bij een uitgang van 24 volt.

Geïsoleerde DC-DC-convertors hebben over het algemeen niet de precieze regeling die typisch is voor niet-geïsoleerde producten, omdat ze geen elektrische terugkoppellus hebben tussen de uitgang en de ingang. Voor de NXE-serie is de lijnregeling 1,15 %/% en de belastingregeling tussen 7 en 11%. De lijnregeling van de NXJ2 is 1 %/% type voor 24 volt invoer en 1,1 %/% type voor alle andere typen invoer. De nauwkeurigheid van het spanningssetpoint is afhankelijk van de uitgangsbelastingsstroom en het gekozen NXE- of NXJ2-apparaat. Zo vertoont de NXE2S1215MC 12 volt input/15 volt output oplossing een -2 tot -6% variatie ten opzichte van het setpoint bij volledige uitgangslaststroom (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Geïsoleerde DC-DC-convertors hebben niet de exacte regeling die typisch is voor niet-geïsoleerde DC-DC-convertors. De nauwkeurigheid van de spanningssetpoint varieert afhankelijk van de uitgangsbelastingsstroom. Het voorbeeld hier toont de nauwkeurigheid van de uitgangsspanning ten opzichte van het setpoint voor verschillende belastingen voor de NXE2S1215MC, Murata's 12 volt ingangs/15 volt uitgangsgeïsoleerde DC-DC-convertor. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Inzicht in de specificaties

Elektrische scheiding van de ingang en de uitgang is vaak een wettelijke vereiste, waardoor het belangrijk is dat de ingenieur duidelijk is wat de voorschriften voor een bepaald ontwerp vereisen. Dit kan moeilijk zijn omdat de informatie verwarrend kan zijn.

In de regelgeving wordt bijvoorbeeld afzonderlijk aangegeven welke isolatie vereist is voor een onderdeel en welke isolatie vereist is voor een eindproduct, en dat is voor elk onderdeel verschillend. Zo kan bijvoorbeeld op het specificatieblad van een component staan dat het apparaat bestand is tegen een isolatietestspanning van 2,5 tot 5 kilovolt AC en dat het voldoet aan de productnorm IEC 60950-1, terwijl het voor de ontwerper belangrijker is dat de werkspanning van de isolator bijvoorbeeld 150 tot 600 volt AC is en dat het voldoet aan de componentnorm IEC 60747-5-5.

Er moet ook zorg worden besteed aan de terminologie die wordt gebruikt om de isolatieniveaus te beschrijven. "Basis" is een enkele isolatielaag en "dubbel" is twee lagen; "versterkt" is een enkelvoudig isolatiesysteem dat gelijk is aan dubbel. De normen gaan ervan uit dat één enkele fout kan optreden in een bepaalde isolatielaag, zodat een product met een tweede isolatielaag toch bescherming biedt. Belangrijk is dat wanneer een component wordt gedefinieerd als "basis" in een componentennorm, deze wordt geclassificeerd als onvoldoende voor de veiligheidsbescherming.

Een ander belangrijk aspect van de isolatieprestatie van het onderdeel is de opruiming en kruipgang. Vrijheid is de kortste afstand tussen twee componentencircuits door de lucht, terwijl kruipen de kortste afstand over een oppervlak is.

De beste manier waarop een ontwerper zeker kan zijn van de prestaties van een isolator is door te controleren of een isolator VDE- en Underwriters Laboratory (UL)-certificering heeft en een kopie van de eigenlijke certificaten van de fabrikant van de isolator te verkrijgen.

In het geval van de NXE- en NXJ2-serie, waar FR4 de isolatiebarrière vormt tussen de primaire en secundaire wikkelingen van de convertor, is elk onderdeel gedurende één seconde getest bij 3 kilovolt gelijkstroom en zijn de monsters gedurende één minuut getest bij 3 kilovolt gelijkstroom. De isolatieweerstand wordt gemeten bij 10 gigaohms (GΩ) bij een testspanning van 1 kilovolt DC.

De NXE- en NXJ2-serie is erkend door UL tot ANSI/AAMI ES60601-1 en biedt één MOOP (Means of Operator Protection) op basis van een werkspanning van maximaal 250 volt rms, tussen primaire en secundaire spoelen. UL herkent ook de DC-DC-convertors tegen UL 60950 voor versterkte isolatie tot een werkspanning van 125 volt rms. De kruipruimte voor de apparaten is 2,5 mm en de vrije ruimte is 2 mm.

Afnemende uitgangsrimpel en EMC

Schakelspanningsconvertors hebben altijd ontwerpuitdagingen met betrekking tot de spanning en stroomrimpel die door de schakelelementen worden gegenereerd. Geïsoleerde DC-DC-convertors zijn geen uitzondering.

Zonder uitgangsfiltercircuits is de typische uitgangsrimpel van de NXE DC-DC-convertors ongeveer 55 millivolts (mV) piek-tot-piek (p-p), oplopend tot een maximum van 85 mVp-p. De overeenkomstige nummers voor de NXJ2-serie zijn 70 mVp-p en 170 mVp-p. Terwijl deze waarden voor veel toepassingen acceptabel zijn, vragen andere om een stabielere output.

Het in Afbeelding 5 getoonde uitgangsfiltercircuit kan worden gebruikt om de uitgangsstroom en spanningsrimpel drastisch te verlagen. De waarden van inductor (L) en condensator (C) variëren afhankelijk van de in- en uitgangsspanningen van de DC-DC converter; maar bijvoorbeeld, Murata's NXE2S1205MC (12 volt input/5 volt output) product vereist een inductor van 22 microhenries (µH) en een condensator van 10 microfarads (µF). Het effect van het uitgangsfiltercircuit is het verlagen van de uitgangsspanning en de stroomrimpel tot maximaal 5 mVp-p.

Afbeelding 5: Dit eenvoudige uitgangsfiltercircuit met de juiste L- en C-waarden kan de geïsoleerde uitgangsstroom en spanningsrimpel van de DC-DC-convertor met een orde van grootte verminderen. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Voor de beste resultaten moet de equivalente serieweerstand (ESR) van de condensator zo laag mogelijk zijn en moet de spanning ten minste tweemaal de nominale uitgangsspanning van de geïsoleerde DC-DC-convertor bedragen. Voor de inductor mag de nominale stroom niet lager zijn dan die van de uitgang van de DC-DC-convertor. Bij de nominale stroom moet de DC-weerstand van de inductor zodanig zijn dat de spanningsval over de inductor minder dan 2 procent van de nominale spanning van de DC-DC-convertor bedraagt.

Aan de NXE- en NXJ2-serie kan een ingangsfiltercircuit worden toegevoegd om de EMI te dempen, zoals in Afbeelding 6 is aangegeven. Ook hier variëren de waarden van L en C afhankelijk van de in- en uitgangsspanningen van de DC-DC-convertor; maar bijvoorbeeld, Murata's NXE2S1215MC (12 volt input/15 volt output) product heeft een inductor van 22 µH en een condensator van 3.3 µF nodig.

Afbeelding 6: Dit eenvoudige ingangsfiltercircuit met de juiste L- en C-waarden kan de EMI-emissies van de geïsoleerde DC-DC-convertor verlagen tot onder de grenswaarden van EN 55022. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Zoals weergegeven in Afbeelding 7, stelt het effect van de filtering de Murata geïsoleerde DC-DC-convertors in staat om te voldoen aan de EN 55022 Curve B Quasi-Peak EMC-limiet. Een EMI-straler moet deze limieten verbeteren om te voldoen aan de EMC-richtlijn 2014 van de EU.

Afbeelding 7: Het effect van het ingangsfiltercircuit in afbeelding 6 is dat de geïsoleerde DC-DC-omzetter (NXE2S1215MC, in dit geval) EMI-emissies tot onder de door de EMC-richtlijn van de EU voorgeschreven grenswaarden worden verlaagd. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Voor meer informatie over het ontwerp van filtercircuits voor DC-DC-convertors, zie het technische artikel van DigiKey, Condensatorkeuze is de sleutel tot een goed ontwerp van de spanningsregelaar.

Conclusie

Geïsoleerde DC-DC-convertors spelen een essentiële rol wanneer de regelgeving of veiligheidsoverwegingen een elektrische scheiding van de in- en uitgangsspanningen vereisen. Isolatie met behulp van een transformator kan echter leiden tot compromissen op het gebied van ontwerp - en niet te vergeten kosten, grootte, variabiliteit van de prestaties en uitdagingen op het gebied van assemblage.

Ingenieurs moeten op de hoogte zijn van deze compromissen en de producten dienovereenkomstig ontwerpen. Geïsoleerde DC-DC-convertors hebben bijvoorbeeld over het algemeen niet de terugkoppellus die een nauwkeurige regeling van niet-geïsoleerde producten mogelijk maakt, zodat de uitgangsspanningen meer kunnen variëren met de belasting vanaf het instelpunt dan met de laatste componenten.

Zoals te zien is, zijn er DC-DC-oplossingen die in plaats van een dure en volumineuze plaatgemonteerde transformator, gebruik maken van wisselende lagen FR4 en koper om een transformator op te bouwen die in het substraat van de convertor is ingebed. Het resultaat is een minder duur, compact apparaat dat een betere herhaalbaarheid van de elektrische prestaties van de componenten laat zien en dat kan worden verwerkt door geautomatiseerde plaatsingsmachines. Deze geïsoleerde DC-DC-convertors voldoen ook aan de relevante normen voor hoogspanningsisolatie en isolatietesten.