Avancerade DC/DC-omvandlare förenklar konstruktion av kraftsystem för industri-, medicin- och transportsektorn

Med den ökade användningen av elektronik inom industri, transport och medicinska tillämpningar måste konstruktörerna av de underliggande kraftsubsystemen säkerställa hög prestanda i fysiskt och elektriskt krävande miljöer, samtidigt som de uppfyller strikta lagar och säkerhetskrav. Samtidigt måste de också hålla sig inom ständigt skärpta begränsningar av budgetar och konstruktionstider.

DC/DC-omvandlaren har utvecklats dramatiskt över tid för att uppfylla många av dessa krav. De har minskat i storlek för högre effekttäthet och för att spara utrymme, och de erbjuder breda inmatningsintervall för att förenkla lagerhållningen och krympa komponentlistan (BOM). Andra förbättringar som underlättar konstruktörens arbete inkluderar lågbrusutgångar, snävare belastningsreglering, starka skydds- och säkerhetsfunktioner och anmärkningsvärda termiska egenskaper. Men, som konstruktörer nog förväntar sig, är inte alla DC/DC-omvandlare likadana, vilket kräver att de är kräsna i sina val för att säkerställa fungerande konstruktioner och tillämpningar.

Den här artikeln tar upp DC/DC-omvandlare från Bellnix , HVM-teknik , Murata Power Solutions, Vicor och XP Power som är kompakta, säkerställer lågt rippelbrus och tillgodoser enkla och dubbla utgångsspänningar. Den kommer också att belysa och förklara funktioner och förbättringar, och hur dessa kan hjälpa konstruktörer att öka effektjusteringsförmågan, minska bruset, säkerställa självskydd och ge bättre termiska egenskaper.

Hur DC/DC-omvandlare fungerar

Som namnet antyder tar en DC/DC-omvandlare en spänning som ingång från en DC-källa och omvandlar den till en utsignal med en annan DC-spänning. Utgången kan vara antingen lägre (buck-omvandlare) eller högre (boost-omvandlare) än ingångsspänningen. DC/DC-omvandlare är antingen isolerade eller icke-isolerade. En isolerad DC/DC-omvandlare använder en transformator för att eliminera DC-banan mellan ingång och utgång (figur 1).

Bild 1: Denna DC/DC-omvandlare är isolerad, vilket indikeras av transformatorn mellan ingångs- och utgångsstegen. (Bildkälla: XP Power)

I motsats härtill har oisolerade DC/DC-omvandlare, som ofta används när spänningsändringen är liten, en DC-bana mellan ingång och utgång.

Viktiga prestanda- och konstruktionsaspekter

Viktiga prestandaegenskaper för DC/DC-omvandlare inkluderar effektivitet, strömklassning, rippelspänning, reglering, transientsvar, spänningsklassning, storlek och vikt. För mer om dessa, se “ Introduktion till DC/DC-omvandlare ”. Konstruktörer måste också ta hänsyn till omvandlarens förmåga att klara ett brett omfång på märkingångsspänningen. Detta gör att en omvandlare kan stödja många tillämpningar - med mindre lagerhållning och logistik - förutsatt att den också kan leverera den nödvändiga utgångsspänningen och strömklassningen som krävs för de förväntade lasterna.

Beroende på tillämpning och typ av kraftkälla är skydd mot överspänning, underspänning, omvänd polaritet, kortslutning och övertemperaturer också viktigt. På samma sätt är god efterlevnad av elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och elektromagnetiska störningar (EMI) helt nödvändigt. Detta är särskilt viktigt med tanke på att de switchande strömförsörjningar som används i DC/DC-omvandlare kan medföra brus direkt i lasten och kan avge RF-brus som kan påverka stabiliteten och noggrannheten i närliggande kretsar.

Slutligen bör konstruktörer noggrant granska de termiska egenskaperna hos omvandlaren i samband med tillämpningens konstruktions- och driftsförhållanden, så att tillräcklig ventilation och andra värmehanteringstekniker kan tillämpas vid behov.

Mindre är bättre för DC/DC-omvandlare

Flera tillämpningar kräver DC/DC-omvandlare i kompakta format för att spara utrymme och förenkla installationen. För sådana tillämpningar skapade Bellnix OHV-serien av 1,5 watt-DC/DC-omvandlare för mellan- till högspänning specifikt för att minska monteringsytan som krävs med nästan 60 %, jämfört med modulerna som fanns tillgängliga under utvecklingsperioden. En provanordning är OHV12-1.0K1500P, ett system-in-package (SiP) som mäter 44 x 16 x 30 mm och som matar ut 1000 volt vid 1,5 mA (figur 2). Bellnix konstruerade även serien för att hålla rippelbruset till så lågt som 5 mV topp-till-topp (_PP).

Bild 2: Den ultrakompakta OHV12-1.0K500P-omvandlaren från Bellnix mäter 44 x 16 x 30 mm och matar ut 1000 volt vid 1,5 mA. (Bildkälla: Bellnix)

Serien drivs med 11 till 13 V på ingången med 0,28 A. Från detta kan den producera mellan noll och +/- 1000 volt (0 till 1,5 mA), 1500 volt (0 till 1,0 mA) och 2000 volt (0 till 0,7 mA), beroende på modell.

Enhetens låga rippelbrus på 5 mV _PP är viktigt inom instrumenttillämpningar, där eventuell instabilitet i högspänningsförsörjningen kan orsaka brus och påverka utrustningens noggrannhet. Bellnix har utvecklat sin egen kretsteknik för att hålla bruset till ett minimum, och eftersom enheterna är fristående - inga externa komponenter krävs - kan konstruktörer lägga till komponenter för att ytterligare reducera brus och även minska ingångsimpedansen (figur 3).

Bild 3: För att minska ingångsimpedansen till följd av ledningslängden mellan matningen och omvandlaren, kan konstruktörer lägga till en kondensator C1 på kopplingssidan. För att ytterligare reducera bruset kan en C2 läggas till över lasten. (Bildkälla: Bellnix)

För att exempelvis minska ingångsimpedansen som orsakas av ett långt avstånd mellan omvandlaren och strömförsörjningen, kan kondensatorn C1 läggas till på ingången. Denna kondensator bör placeras på kopplingssidan av omvandlaren för att minska ledningsinduktansen. För att minska bruset kan en kondensator (C2) placeras försiktigt nära lasten så att den har kortast möjliga in-/utgångsledningar. Krypströmmar och fysiskt avstånd måste ges särskild uppmärksamhet.

Alla produkter i sortimentet har inbyggt kortslutnings- och överströmsskydd, och tillförlitligheten hos strömförsörjningen ökar ytterligare med ett femsidigt metallhölje som använder en extra skärmning för att skydda enheten mot för höga temperaturer. Utgångsspänningen på OHV-serien kan styras från 0 V till 2000 V med en extern spänning eller ett externt variabelt motstånd.

För konstruktörer av batteridrivna enheter, erbjuder HVM Technologys nHV-serie precisionsreglerad effekt på 100 mW vid upp till 1 kV i ett hölje som mäter 11,4 x 8,9 mm, med en höjd av 9,4 mm. Specifikt är lastregleringen <0,2 % (typiskt sett) från ingen last till full belastning.

NHV-serien har en 5-voltsingång (4,5±0,5 volt). Beroende på modellen varierar utspänningen mellan -1200 volt (NHV0512N) och 1200 volt (NHV0512) vid 83 μA, till -100 volt (NHV0501N) och 100 volt (NHV0501) vid 1 mA.

Serien använder en programmeringsingång med hög impedans (100 kΩ) för att göra enheterna enkla att installera och eliminera behovet av en justerbar matningsspänning med låg impedans. Utgångsspänningen är oberoende av ingångsspänningen och är i stället proportionell mot programmeringsspänningen för att säkerställa robust linjäritet.

Brett ingångsintervall

Liksom nHV-serien, är XP Powers DTJ15- och DTJ20-serie med DC/DC-omvandlare på 15 och 20 watt också miniatyriserade för enkel installation och energieffektiv drift, men med en finess: de kan installeras på ett chassi eller DIN-skena och anslutas via skruvplintar (figur 4).

Bild 4: DTJ15- och DTJ20-serien med DC/DC-omvandlare är optimerade för liten storlek, kan enkelt installeras med en DIN-skena och har ett brett inspänningsomfång. (Bildkälla: XP Power)

Förutom enkel installation, är det viktiga med dessa kraftomvandlare deras förmåga att täcka ett brett DC-spänningsintervall på ingången. Detta sträcker sig från 9 till 36 volt och 18 till 75 volt. En mängd ingångskällor, inklusive flera nominella batterispänningar och fordonsmatningar, gör att dessa omvandlare kan betjäna ett brett spektrum av tillämpningar inom industri, handel och kommunikation.

Tillsammans erbjuder DCJ15- och DTJ20-seriens DC/DC-regulatorer totalt 14 varianter med enhetsutgångar som ger spänningar på 3,3 volt, 5,0 volt, 12,0 volt och 15,0 volt och dubbla utgångar som ger ± 5,0 volt, ± 12,0 volt respektive ± 15,0 volt (figur 5).

Figur 5: DTJ15- och DTJ20-seriens DC/DC-omvandlare har anmärkningsvärt breda omfång på både ingångs- utgångsspänning, och den senare finns i totalt 14 varianter. Bilden visar utgången för 15 watts-omvandlaren DTJ15. (Bildkälla: XP Power)

En fjärrmanövrerad ON/OFF-funktion gör att DC/DC-omvandlarna kan mjukvarustyras, vilket hjälper till att kontrollera den totala energiförbrukningen, vilket i sin tur gör att fjärrinstallationer kan drivas effektivt.

En annan viktig egenskap hos DTJ15- och DTJ20-seriernas DC/DC-omvandlare är mjukstarten som rampar upp utspänningen genom att modulera den interna felförstärkarreferensen. Detta får utgångsspänningen att approximera en delvis linjär ramp, som slutar när spänningen når den nominella utgångsspänningen. Andra skyddsfunktioner som DTJ15- och DTJ20-seriens styrenheter erbjuder är kortslutningsskydd och polaritetsskydd på ingången.

Utbud av skyddsfunktioner

Kraftsystemkonstruktioner inom järnväg, industri och transport kräver snabba omslag för transienta steglaster. Andra transienthändelser, såsom svängningar i ingångs- och utgångsspänningen, gör självskyddsfunktionerna kritiska för säker och tillförlitlig drift av DC/DC-omvandlare.

Vid strömbegränsning, även kallat effektbegränsning, kommer DC/DC-omvandlaren att gå över till ett strömbegränsande läge så snart utgångsströmmen ökar till cirka 130 % av dess nominella värde. Som en följd av detta kommer utgångsspänningen att börja minska proportionellt för att upprätthålla något så när konstant effektmatning.

Om miljöförhållandena gör att temperaturen på DC/DC-omvandlaren stiger över dess dimensionerade driftstemperatur, kommer en precisionstemperatursensor stänga av enheten. När den inre temperaturen sjunker under tröskeln för temperatursensorn, startar DC/DC-omvandlaren själv.

Muratas IRE-Q12-serie av isolerade DC/DC-omvandlare har självskyddsfunktioner för att säkerställa att det inte finns några negativa effekter från högre kapacitiva laster (figur 6). Exempelvis innehåller IRE-12/10-Q12PF-C alla relevanta självskyddsfunktioner samtidigt som den uppfyller kraven i EN50155 för att underlätta märkbatterispänningar under spänningsfall och transienttillstånd.

Bild 6: IRE-Q12-seriens omvandlare har genomgått omfattande tester för att säkerställa att de tål de svåra miljöförhållanden som vanligtvis finns i järnvägs- och industritillämpningar. (Bildkälla: Murata)

IRE-Q12-seriens omvandlare ger en 120 watts isolerad utgång från ett ingångsspänningsintervall på 9 till 36 volt i det konventionella formatet "1/8 brick". Den ger också två basplattealternativ, ett för att uppta minimalt med kortyta, det andra en slitsad fläns för mekanisk fixering på en kylfläns.

Utgången från dessa DC/DC-omvandlare kan trimmas +/- 10 % för att säkerställa snabba omslagstider för transienta steglaster. Vidare testas och specificeras alla omvandlarna för ingångsreflekterad rippelström, rippelström på ingången och utgångsbrus.

I fristående och array-kopplade utföranden

Vicors DCM2322 är en serie med isolerade DC/DC-omvandlare som drivs med oreglerade likströmsingångar från 9 - 50 volt för att generera en isolerad 28 volts utgång (figur 7). Den bygger på företagets topologi med dubbelbegränsad nollspänningsswitchning (DC-ZVS) som hjälper den att leverera en hög effektivitet på 93 % över hela ingångsspänningsintervallet.

Bild 7: DC-ZVS-topologin gör det möjligt för DCM2322-omvandlare att uppnå upp till 93 % effektivitet. (Bildkälla: Vicor)

DC/DC-omvandlingsmodulerna (DCM), t.ex. DCM2322T50T3160T60, utnyttjar de termiska fördelarna och ytbesparingen med Vicors ChiP-kapslingsteknik, vilken distribuerar den internt genererade värmen jämnt över kapslingens yta. ChiP-tekniken gör det också möjligt för DCM-omvandlarna att erbjuda flexibla alternativ för termisk hantering med mycket låga termiska impedanser på topp- och bottensida.

Den effektiva termiska fördelningen gör att DCM-enheterna kan ansluta från olika oreglerade kraftkällor till lasten. De erbjuder skydd mot överspänningsfel på både ingång och utgång och andra felhanteringsmekanismer som stänger av omvandlarna när ett fel upptäcks (figur 8).

Bild 8: DCM-omvandlarna underlättar felövervakningshantering samt säkerhetsfunktioner som inkluderar strömbegränsning och mjukstartkontroll. (Bildkälla: Vicor)

Dessa funktioner gör att DCM-omvandlarna kan tillhandahålla en reglerad utspänning runt definierade nominella lastnivåer och temperaturkoefficienter. Om den interna temperaturen på omvandlaren överskrider dess gräns, registreras ett temperaturfel och drivledningen slutar omedelbart att slå om. Omvandlaren väntar på att den inre temperaturen återgår till den givna tröskeln och startar sedan om igen.

Dessutom tillhandahåller dessa DC/DC-omvandlare integrerad EMI-filtrering, snäv utgångsspänningsreglering och ett sekundärt referensstyrgränssnitt samtidigt som de fundamentala konstruktionsfördelarna med den konventionella "brick"-arkitekturen bibehålls.

I tillämpningar som kräver mer kraft än en enda DC/DC-omvandlare kan leverera, exempelvis datacenter och telekommunikationsutrustning, kan flera enheter användas parallellt. Flera DCM-omvandlare kan parallelliseras i array-läge för högre strömkapacitet via lastdelning, även när de arbetar med olika ingångsspänningar. Vicor har kvalificerade arrayer på upp till åtta DC/DC-omvandlare vilket ger en kapacitet på 480 watt.

Slutsatser

För konstruktörer av kraftförsörjningar som ska mata elektroniska system för tillämpningar inom industri, medicinteknik, transport och instrument är komplexiteten och de tillhörande kostnaderna många: från behovet av breda ingångsspänningsintervall till termisk hantering och lastdelning. Som vi visat har dock DC/DC-omvandlare utvecklats till att bli allt mindre, lättinstallerade, fristående strömförsörjningar som eliminerar mycket av denna komplexitet.

Fortfarande kan dock - för konstruktörer som behöver bättre prestanda - ytterligare komponenter läggas till. När mer flexibilitet krävs, är fjärr- och programmerbara funktioner alltmer tillgängliga för impedanskompensering och för att underlätta en mängd olika skyddsfunktioner: för transientrespons, för att undvika brännskador och för att minska systemets totala energiförbrukning.

Vidare läsning

1. Introduktion till DC/DC-omvandlare