Använd isolerade DC/DC-omvandlare med inbyggda transformatorer för att underlätta monteringen

I jakten på att minska kostnader och produktstorlekar är monolitiska DC/DC-omvandlare en bra lösning för många högvolymtillämpningar, men de kan inte användas i konstruktioner som kräver elektrisk isolering av ingången från utgången på strömförsörjningen. Medicinsk utrustning är ett bra exempel. Typiskt sett kan kortmonterade isolerade försörjningar användas istället, men dessa är beroende av en transformator för att uppnå den nödvändiga elektriska isoleringen, vilket minskar verkningsgraden och ökar kostnaden, storleken och vikten på produkten. Transformatorn medför också variationer i DC/DC-omvandlarens prestanda och försvårar automatiserad montering av stora volymer.

För att hantera många av dessa utmaningar kan konstruktörer välja isolerade DC/DC-omvandlarmoduler som har transformatorn inbäddad i omvandlarens substrat.

Denna artikel går igenom vilka omständigheter som kräver användning av isolerade DC/DC-omvandlare. Sedan introduceras exempellösningar från Murata Electronics och det visas hur de kan användas för att uppnå isolering utan de stora konstruktionskompromisser som vanligtvis är förknippade med transformatorbaserade, isolerade DC/DC-omvandlare. Artikeln beskriver också hur omvandlarenheten tillgodoser behovet av hög nivå, automatiserad ytmontering och visar hur man konstruerar de isolerade DC/DC-omvandlarna till produkter med minimal spännings- och strömrippel och mindre elektromagnetisk interferens (EMI).

När ska man använda en isolerad omvandlare?

I en konventionell DC/DC-omvandlare gör en enskild regulatorkrets att strömmen går direkt från ingång till utgång. Detta minskar komplexiteten, storleken och priset. Men det finns många applikationer som kräver galvanisk isolering (nedan bara kallad "isolering") för att elektriskt separera enhetens ingångs- och utgångssidor. Exempelvis kan säkerhetskrav kräva att en isolerad DC/DC-omvandlare används - med hjälp av en transformator (eller i vissa fall kopplade induktorer) för att överföra spänning och ström mellan ingångssidan och utgångssidan - särskilt om ingångssidan är ansluten till spänningar som är tillräckligt höga för att vara farliga för människor. Isolerade DC/DC-omvandlare är också användbara för att bryta upp jordslingor och på så vis separera delar av en krets som är känsliga för brus från källorna till detta brus (figur 1).

Figur 1: En grundläggande oisolerad DC/DC-omvandlare (överst) jämfört med en isolerad version (nedtill) med en transformator för galvanisk isolering. (Bildkälla: DigiKey)

En annan egenskap hos en isolerad DC/DC-omvandlare är en flytande utgång. Även om sådana omvandlare levererar en fast spänning mellan utgångarna, har de inte en definierad eller fast spänning i förhållande till spänningsnivåerna i kretsarna från vilka de har isolerats (dvs. de är "flytande"). Det finns ett alternativ till att ansluta en isolerad DC/DC-omvandlares flytande utgång till en kretsnod på utgångssidan för att fixera dess spänning, vilket gör att utgången kan skiftas eller inverteras i förhållande till en annan punkt som ligger i utgångskretsen. På grund av separationen av ingångs- och utgångskretsar måste konstruktören se till att båda kretsarna har sina egna jordreferenser.

Databladet för en given DC/DC-omvandlare listar vanligtvis sin isoleringsspänning - den maximala spänning som kan påläggas under en definierad (kort) tid utan att ström överbryggar gapet. Dessutom beskriver databladet den maximala driftspänningen som kontinuerligt kan tålas utan att isoleringen bryts.

Isolering medför vissa avvägningar. För det första tenderar isolerade omvandlare att vara dyrare eftersom transformatorn (vanligtvis anpassad) är dyrare än motsvarande induktansspole som används i den icke-isolerade versionen. Ju större isolering som behövs, desto högre kostnader.

För det andra tenderar isolerade DC/DC-omvandlare att vara större än icke-isolerade versioner; transformatorn är i allmänhet större än motsvarande induktor och induktorn tenderar att arbeta vid högre switchningsfrekvenser, vilket ytterligare minskar dess storlek jämfört med transformatorn.

För det tredje tenderar repeterbarheten i effektivitet, reglering och prestanda från produkt till produkt för isolerade DC/DC-omvandlare att vara sämre än oisolerade omvandlare. Transformatorn medför viss ineffektivitet jämfört med en induktor, och isolationsbarriären förhindrar att utgången känns av direkt och noga kan kontrolleras, för bättre reglerings- och transientprestanda. Eftersom de är mindre, kan oisolerade DC/DC-omvandlare placeras nära lasten för att minska effekter från överföringsledningen och öka effektiviteten något. Eftersom transformatorn i den isolerade omvandlaren vanligtvis är en specialanpassad komponent, levererar två enheter aldrig exakt samma utmatning.

Slutligen kan transformatorn också förhindra en effektiv monteringsprocess som passar för höga volymer. Profilen för den isolerade DC/DC-omvandlaren med en transformator gör den olämplig för automatmontering, vilket gör att den måste monteras på kretskortet för hand.

Val av isolerade DC/DC-omvandlare

Om den konstruerade tillämpningen kräver isolering av säkerhetsskäl eller av andra skäl, måste de tidigare beskrivna avvägningarna tas med i beräkningen. Genom att leta noga i komponentutbudet kan man hitta nya lösningar som har utformats för att minimera effekterna av kompromisser i konstruktionen.

Exempelvis har Murata nyligen introducerat sinNXE (figur 2) och NXJ2-serien med isolerade DC/DC-omvandlare. Dessa är utformade för att hantera några av de traditionella utmaningar som isolerade DC/DC-omvandlare erbjuder.

Figur 2: Muratas isolerade DC/DC-omvandlare NXJ2 och NXE (visas) inkluderar en transformator inbäddad i komponenternas substrat för att minska produktens storlek. (Bildkälla:Murata Electronics)

NXE-serien erbjuder upp till 2 watt med 5 och 12 volts ingångar och 5, 12 och 15 volts utgångar. Ingångs- och utgångsströmmen varierar med spänningen, men sträcker sig från 542 mA ingång / 400 mA utgång för 5/5 volt-varianten till 205/133 mA för 12/15 volt-varianten. Produktsortimentet har switchningsfrekvenser från 100 till 130 kHz beroende på modell.

På samma sätt är NXJ2-serien en 2 watts design med 5, 12 och 24 volts ingångsalternativ och 5, 12 och 15 volts utgångsalternativ. In- och utgångsströmmen varierar från 550 mA ingång/400 mA utgång för 5/5 volt-varianten till 105/133 mA för 24/15 volt-varianten. Produkterna har switchningsfrekvenser från 95 till 140 kHz.

Muratas isolerade DC/DC-omvandlarna hanterar utmaningen med automatiserad tillverkning genom att bädda in transformatorn i enhetens mönsterkortssubstrat. Transformatorn byggs genom växelvisa lager av FR4 - det glasförstärkta epoxilaminat som ofta används som basmaterial för mönsterkort - och koppar för att skapa lindningar runt den inbäddade kärnan. Den inbäddade transformatorkonstruktionen påstås bidra till värmeavledningen och förbättra repeterbarheten i prestanda sinsemellan likadana komponenter.

Resultatet är en komponent med låg profil (under 4,5 mm), och kompakta dimensioner (15,9 x 11,5 mm för 5 och 12 volts-varianterna och 16 x 14,5 mm för 24 volts-varianten) som är lämplig för distribution på tejp och rulle och som kan plockas upp av vakuummunstycket i en automatiserad monteringsmaskin (figur 3).

Figur 3: NXE-serien med isolerade DC/DC-omvandlare är inrymda i en kompakt kapsling som kan distribueras på tejp och rulle och monteras på mönsterkortet med monteringsmaskiner. (Bildkälla: Murata Electronics)

Den inbäddade transformatorkonstruktionen ger goda elektriska egenskaper jämfört med andra isolerade konstruktioner. Isolerade DC/DC-omvandlare arbetar vanligtvis med 55-85 % verkningsgrad när de är under full last. NXE-serien och NXJ2-serien har cirka 72 % verkningsgrad vid 100 % last vid 5 volts utmatning, vilket stiger till 76 % verkningsgrad vid 15 volts utmatning och 78 % verkningsgrad vid 24 volts utmatning.

Isolerade DC/DC-omvandlare saknar i allmänhet den exakta reglering som är typisk för icke-isolerade produkter eftersom de inte har en elektrisk återkopplingsslinga mellan utgång och ingång. För NXE-serien är nätregleringen 1,15 %/% och lastregleringen mellan 7 och 11 %. NXJ2:s nätreglering är typiskt 1 %/% för 24 volts ingång och typiskt 1,1 %/% för alla andra ingångstyper. Noggrannheten för spänningsbörvärdet beror på utgångslastströmmen och den valda NXE- eller NXJ2-enheten. NXE2S1215MC-enhetens 12 och 15 volts upplösning på ingång resp. utgång uppvisar exempelvis en variation på -2 till -6 % mot börvärde vid full utgångslastström (figur 4).

Figur 4: Isolerade DC/DC-omvandlare saknar den exakta reglering som är typisk för icke-isolerade DC/DC-omvandlare. Noggrannheten för spänningsbörvärdet varierar beroende på lastströmmen på utgången. Exemplet här visar utspänningsnoggrannheten mot börvärdet för olika laster för NXE2S1215MC, Muratas isolerade DC/DC-omvandlare med 12 volts ingång / 15 volts utgång. (Bildkälla: Murata Electronics)

Förstå specifikationerna

Elektrisk separering av ingången från utgången är ofta ett regulatoriskt krav, vilket gör det viktigt att ingenjören är tydlig med vad föreskrifterna kräver av en given konstruktion. Detta kan vara svårt eftersom uppgifterna kan vara förvirrande.

Exempelvis anger regelkraven var för sig den isolering som krävs för en komponent och den isolering som krävs för en ändprodukt - och det är olika för varje. Exempelvis kan specifikationsbladet för en komponent ange att enheten tål en isolationsprovningsspänning på 2,5 till 5 kV AC och att den följer produktstandarden IEC 60950-1, när det är viktigare för konstruktören att isolatorns arbetsspänning är exempelvis 150 till 600 V AC och att den följer komponentstandarden IEC 60747-5-5.

Man bör också vara vaksam på den terminologi som används för att beskriva isoleringsnivåerna. "Basic" är ett enda isoleringsskikt och "Double" är två lager; ”Reinforced” är ett enda isoleringssystem som motsvarar Double. Standarderna antar att ett enskilt fel kan uppstå i ett isoleringsskikt så att en produkt med ett andra isoleringsskikt fortfarande erbjuder skydd. Det är viktigt att när en komponent definieras som "Basic" i en komponentstandard klassas den som otillräcklig för säkerhetsskydd.

En annan viktig aspekt av komponentens isoleringsprestanda är dess frirum och krypning. Frirummet är det kortaste avståndet mellan två komponentkretsar genom luften, medan krypning är det kortaste avståndet över en yta.

Det bästa sättet för en konstruktör att försäkra sig om isolatorns prestanda är att verifiera att en isolator har VDE- och Underwriters Laboratory (UL)-certifieringar och få en kopia av de faktiska certifikaten från isolatortillverkaren.

När det gäller NXE- och NXJ2-serierna, där FR4 tillhandahåller isoleringsbarriären mellan omvandlarens primära och sekundära lindningar, har varje komponent testats vid 3 kV DC under en sekund och stickprover har testats vid 3 kV DC i en minut. Isolationsmotståndet uppgår till 10 Gigaohm (GΩ) vid en testspänning på 1 kV DC.

NXE- och NXJ2-serierna är av UL godkända för ANSI/AAMI ES60601-1 och erbjuder en MOOP (ett operatörsskydd) baserat på en driftspänning på max. 250 Vrms mellan den primära och den sekundära lindningen. UL har också godkänt DC/DC-omvandlarna enligt UL 60950 för förstärkt isolering upp till en driftspänning på 125 Vrms. Krypningen för enheterna är 2,5 mm och frirummet är 2 mm.

Minskat utgångsrippel och EMC

Växelspänningsomvandlaren har alltid konstruktionsutmaningar relaterade till spännings- och strömrippel som genereras av switchningselementen. Isolerade DC/DC-omvandlare är inget undantag.

Utan utgångsfilterkretsar är den typiska utgången från NXE-seriens DC/DC-omvandlare cirka 55 mV topp-till-topp (pp) och med stigning till maximalt 85 mVp-p. Motsvarande siffror för NXJ2-serien är 70 mVp-p och 170 mVp-p. Även om dessa värden är acceptabla för många tillämpningar, kräver andra en mer stabil produktion.

Utgångsfilterkretsen som visas i figur 5 kan användas för att dramatiskt sänka utströmmen och spänningsripplet. Värdena för induktorn (L) och kondensatorn (C) varierar beroende på ingångs- och utspänningarna på DC/DC-omvandlaren, men exempelvis kräver Muratas produkt NXE2S1205MC (12 volts ingång/5 volts utgång) en induktor på 22 µH (mikrohenry) och en kondensator på 10 µF (mikrofarad). Effekten av utgångsfilterkretsen är att sänka utspänningen och strömrippel till maximalt 5 mVp-p.

Figur 5: Denna enkla utgångsfilterkrets med lämpliga L- och C-värden kan minska den isolerade DC/DC-omvandlarens utgångsström och spänningsrippel med en storleksordning. (Bildkälla: Murata Electronics)

För bästa resultat bör kondensatorns ekvivalenta seriemotstånd (ESR) vara så lågt som möjligt, och spänningsklassningen bör vara minst dubbelt så hög som den nominella utspänningen för den isolerade DC/DC-omvandlaren. För induktorn ska märkströmmen inte vara mindre än utgången från DC/DC-omvandlaren. Vid märkström ska induktansens DC-resistans vara så att spänningsfallet över induktorn är mindre än 2 procent av DC/DC-omvandlarens märkspänning.

En ingångsfilterkrets kan läggas till för NXE- och NXJ2-seriens produkter för att dämpa EMI som visas i figur 6. Återigen varierar värdena på L och C beroende på ingångs- och utspänningarna hos DC/DC-omvandlaren, men exempelvis kräver Muratas NXE2S1215MC (12 volts ingång / 15 volts utgång) en induktor på 22 µH och en kondensator på 3,3 µF.

Figur 6: Denna enkla ingångsfilterkrets med lämpliga L- och C-värden kan minska EMI-emissionerna från den isolerade DC/DC-omvandlaren till under vad som krävs för att uppfylla EN 55022-gränserna. (Bildkälla: Murata Electronics)

Såsom visas i figur 7 gör effekten av filtreringen att Muratas isolerade DC/DC-omvandlare uppfyller EN 55022 Curve B Quasi-Peak EMC-gränsen. En EMI-utstrålande komponent måste prestera bättre än dessa gränser för att uppfylla EU:s EMC-direktiv 2014.

Figur 7: Effekten av ingångsfilterkretsen som visas i figur 6 är att den isolerade DC/DC-omvandlarens (NXE2S1215MC, i detta fall) EMI-emissioner sänks till under de gränser som föreskrivs i EU:s EMC-direktiv. (Bildkälla: Murata Electronics)

Mer information om filterkretskonstruktionen för DC/DC-omvandlaren finns i den Digi-Keys tekniska artikel Att välja kondensatorer är nyckeln till att konstrera en bra spänningsregulator.

Slutsats

Isolerade DC/DC-omvandlare spelar en viktig roll när regler eller säkerhetshänsyn kräver elektrisk separering av ingångs- och utgångsspänningar. Isolering med en transformator kan dock medföra konstruktionskompromisser - och särskilt utmaningar i form av kostnader, storlek, prestandavariabilitet och montering.

Ingenjörer måste vara medvetna om dessa kompromisser och konstruera produkter därefter. Exempelvis saknar isolerade DC/DC-omvandlare generellt återkopplingsslingan som möjliggör exakt reglering av oisolerade produkter, så utspänningar kan då variera mer, beroende på lasten, mot börvärdet än med de senare komponenterna.

Som visat finns det DC/DC-lösningar som istället för att använda en dyr och skrymmande kortmonterad transformator, använder växelvisa lager av FR4 och koppar för att bygga upp en transformator inbäddad i omvandlarens substrat. Resultatet är en billigare, kompakt komponent som visar bättre repeterbarhet mellan olika exemplar av komponenten och som kan hanteras av automatiska placeringsmaskiner. Dessa isolerade DC/DC-omvandlare uppfyller också de relevanta kraven för högspänningsisolering och isoleringstestning.