Použití izolovaných DC-DC převodníků s vestavěnými transformátory ke snadnějšímu sestavení

Ve snaze snižovat cenu i rozměry jsou pro mnoho velkoobjemových aplikací řešením monolitické DC-DC převodníky. Nelze je však použít v návrzích, ve kterých se vyžaduje elektrická izolace napájecího vstupu od výstupu. Dobrým příkladem jsou lékařské přístroje. Místo nich lze obvykle použít izolované zdroje s montáží na desku, ale ty k dosažení požadované elektrické izolace spoléhají na transformátory. Snižuje se tak účinnost a zvyšuje cena, velikost a hmotnost řešení. Použití transformátoru vede také k proměnlivému výkonu DC-DC převodníku a ztěžuje velkoobjemové automatizované sestavení.

Jako řešení tohoto problému se návrhářům nabízejí moduly izolovaných DC-DC převodníků, které mají transformátor vestavěný do substrátu převodníku.

V tomto článku jsou vysvětleny podmínky, které vyžadují použití izolovaných DC-DC převodníků. Dále jsou zde uvedeny příklady řešení od společnosti Murata Electronics a je ukázáno, jak lze převodníky využít k dosažení izolace bez velkých kompromisů návrhu, které jsou obvykle s izolovanými DC-DC převodníky na bázi transformátorů spojeny. V článku je také popsáno, jak balení převodníku splňuje potřeby automatizovaného sestavení vysoké úrovně a s povrchovou montáží, a je ukázáno, jak izolované DC-DC převodníky navrhnout do produktů s minimálním zvlněním napětí a proudu a také se sníženým elektromagnetickým rušením (EMI).

Kdy izolovaný převodník použít

V tradičním DC-DC převodníku umožňuje tok proudu přímo ze vstupu na výstup jeden obvod regulátoru. Snižuje se tak složitost, velikost i cena. Je však mnoho aplikací, které k elektrickému oddělení stran vstupu a výstupu zařízení vyžadují galvanickou izolaci (dále uváděno pouze jako „izolace“). Použití izolovaného DC-DC převodníku mohou například nařizovat bezpečnostní požadavky – s využitím transformátoru (nebo v některých případech spojeného induktoru) k přenosu napětí a proudu přes mezeru mezi stranami vstupu a výstupu – zejména v případě, kdy je strana vstupu připojena k napětí, která jsou natolik vysoká, že ohrožují člověka. Izolované DC-DC převodníky jsou užitečné také k rozrušování zemních smyček, a tím k oddělování součástí obvodu, které jsou citlivé na šum ze zdrojů tohoto šumu (obrázek 1).

Obrázek 1: Základní neizolovaný DC-DC převodník (nahoře) v porovnání s izolovanou verzí (dole) využívající ke galvanické izolaci transformátor. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Další funkcí izolovaného DC-DC převodníku je plovoucí výstup. Zatímco takové převodníky zajišťují napájení fixním napětím mezi výstupními svorkami, nejsou schopny poskytovat definované nebo fixní napětí ve vztahu k úrovním napětí v obvodech, od kterých jsou izolovány (tzn. jsou „plovoucí“). Existuje možnost připojit plovoucí výstup izolovaného DC-DC převodníku k uzlu obvodu na straně výstupu k fixaci jeho napětí, což pak umožňuje posun nebo invertování výstupu ve vztahu k jinému bodu umístěnému v obvodu na straně výstupu. Z důvodu oddělení obvodů vstupu a výstupu musí konstruktér zajistit, aby oba obvody měly své vlastní referenční země.

V katalogovém listu daného DC-DC převodníku je obvykle uvedeno jeho izolační napětí – jde o maximum, které lze použít po definovanou (krátkou) dobu bez přemosťování mezery proudem. Mezi údaji katalogového listu je navíc uvedeno maximální provozní napětí, které lze nepřetržitě udržet, aniž by došlo k porušení izolace.

Izolace je ale vždy kompromisem. Zaprvé jsou izolované převodníky poněkud dražší, protože transformátor (obvykle přizpůsobený) je dražší než ekvivalentní induktor (předem připravený), který se používá v neizolované verzi. Čím vyšší izolace je vyžadována, tím vyšší je cena.

Zadruhé jsou izolované DC-DC převodníky také poněkud větší než neizolované verze. Transformátor je obecně větší než ekvivalentní induktor a induktor obvykle také pracuje s vyššími spínacími frekvencemi, čímž se v porovnání s transformátorem dále zmenšuje jeho velikost.

Zatřetí účinnost, regulace a opakovatelnost výkonu od součástky k součástce izolovaných DC-DC převodníků jsou v porovnání s neizolovanými převodníky horší. Transformátor způsobuje v porovnání s induktorem některé neefektivnosti a izolační zábrana brání tomu, aby byl výstup přímo snímán a pevně řízen k zajištění lepší regulace a přechodného výkonu. Neizolované DC-DC převodníky jsou menší, a lze je proto umístit blízko zátěži, aby se snížila negativa přenosového vedení a dále vylepšila účinnost. Protože jsou dále transformátory v izolovaných převodnících obvykle zařízením vyráběným na zakázku, neposkytují žádná dvě zařízení přesně stejný výstup.

Na závěr je nutno zmínit, že transformátor může také bránit efektivnímu procesu velkoobjemového sestavení. Vzhledem k profilu izolovaného DC-DC převodníku s transformátorem je převodník nevhodný pro automatizovaná sestavení, což určuje, že musí být do PCB přidáván ručně.

Výběr izolovaného DC-DC převodníku

Pokud aplikace návrháře vyžaduje izolaci kvůli bezpečnostním nebo jiným požadavkům, pak je nutné výše popsané vlastnosti přizpůsobit. Pečlivé vyhledávání součástí může přinést nějaká novější řešení, která byla navržena k minimalizaci dopadu kompromisů návrhu.

Společnost Murata například nedávno uvedla na trh izolované DC-DC převodníky řady NXE (obrázek 2) a NXJ2. Oba jsou určeny k řešení některých běžných potíží spojených s izolovanými DC-DC převodníky.

Obrázek 2: Izolované DC-DC převodníky NXJ2 a NXE (zobrazen) společnosti Murata obsahují z důvodu zmenšení velikosti produktu transformátor vestavěný do substrátu součástky. (Zdroj obrázku: společnost Murata Electronics)

Řada NXE nabízí až 2 W a možnost vstupu 5 a 12 V a možnost výstupu 5, 12 a 15 V. Vstupní a výstupní proud se liší podle napětí, ale pohybuje se v rozsahu od vstupu 542 mA / výstupu 400 mA pro produkt s 5/5 V po 205/133 mA pro produkt s 12/15 V. Sortiment produktů v závislosti na modelu nabízí spínací frekvence od 100 po 130 kHz.

Podobně řada NXJ2 nabízí až 2 W a možnost vstupu 5, 12 a 24 V a možnost výstupu 5, 12 a 15 V. Vstupní a výstupní proud je v rozsahu od vstupu 550 mA / výstupu 400 mA pro produkt s 5/5 V po 105/133 mA pro produkt s 24/15 V. Produkty nabízejí spínací frekvence od 95 do 140 kHz.

Izolované DC-DC převodníky společnosti Murata řeší potíže automatizované výroby vestavěním transformátoru do substrátu zařízení. Transformátor je tvořen střídavými vrstvami FR4 – epoxidového laminátu vyztuženého skleněnými vlákny, který se často používá jako základ pro desky plošných spojů – a mědi. Vrstvy vytvářejí vinutí kolem vestavěného jádra. O vestavěné konstrukci transformátoru se tvrdí, že zvyšuje odvod tepla a vylepšuje opakovatelnost výkonu mezi součástkami.

Výsledkem je balení s nízkým profilem (do 4,5 mm), kompaktní (15,9 × 11,5 mm u 5- a 12V verze a 16 × 14,5 mm u 24V verze) vhodné k balení typu pásky a cívky, která lze zachytit odsávací tryskou automatizovaného osazovacího stroje (obrázek 3).

Obrázek 3: Izolované DC-DC převodníky NXE jsou umístěny v kompaktním balení, které lze poskytovat páskou nebo cívkou a umisťovat pomocí automatizovaného osazovacího vybavení na PC desku. (Zdroj obrázku: společnost Murata Electronics)

Vestavěné provedení transformátoru vede ve srovnání s jinými izolovanými návrhy k dobrému elektrickému výkonu. Izolované DC-DC převodníky pracují obvykle při plném zatížení s mírou účinnosti 55 až 85 %. Řady NXE a NXJ2 se při 100% zatížení s 5V výstupem pohybují kolem 72% účinnosti, u 15V výstupu stoupá účinnost na 76 % a u 24V výstupu až na 78 %.

Izolované DC-DC převodníky obvykle postrádají přesnou regulaci typickou pro neizolované produkty, protože mezi vstupem a výstupem nemají smyčku elektrické zpětné vazby. U řady NXE je napěťová regulace 1,15 %/% a regulace zátěže mezi 7 a 11 %. U řady NXJ2 je napěťová regulace typicky 1 %/% pro 24V vstup a typicky 1,1 %/% pro všechny jiné typy vstupů. Přesnost stanovené hodnoty napětí závisí na zatěžovacím proudu výstupu a na tom, zda je vybraným zařízením model NXE nebo NXJ2. Například model NXE2S1215MC s 12V vstupem a 15V výstupem vykazuje odchylku −2 až −6 % oproti stanovené hodnotě při plném zatěžovacím proudu výstupu (obrázek 4).

Obrázek 4: Izolované DC-DC převodníky postrádají přesnou regulaci typickou pro neizolované DC-DC převodníky. Přesnost nastavené hodnoty napětí se liší v závislosti na zatěžovacím proudu výstupu. Zde uvedený příklad demonstruje přesnost výstupního napětí oproti nastavené hodnotě pro různá zatížení pro model NXE2S1215MC izolovaného DC-DC převodníku společnosti Murata s 12V vstupem a 15V výstupem. (Zdroj obrázku: společnost Murata Electronics)

Vysvětlení technických údajů

Elektrické oddělení vstupu od výstupu je často regulačním požadavkem. Je proto důležité, aby návrhář věděl, co pro daný návrh jednotlivé předpisy požadují. Může to být obtížné, protože informace mohou být matoucí.

V regulačních standardech je například samostatně uváděna izolace požadovaná pro součástku a izolace požadovaná pro koncový produkt – a tyto údaje se navzájem liší. V listu s technickými údaji součástky by mohlo být například uvedeno, že zařízení vydrží testovací napětí izolace 2,5 až 5 kV střídavého napětí a že je součástka v souladu s normou IEC 60950-1 pro produkt. Pro návrháře je však důležitější, že pracovní napětí izolátoru je například 150 až 600 V střídavého napětí a že součástka v souladu s normou IEC 60747-5-5 pro součástku.

Opatrnosti je třeba dbát také v terminologii používané k popisu úrovní izolace. Termín „základní“ znamená jednu vrstvu izolace a termín „dvojitá“ dvě vrstvy. Termín „zesílená“ představuje jeden systém izolace ekvivalentní dvojité izolaci. Dle norem se předpokládá, že v jedné vrstvě izolace může dojít k jedné závadě, proto bude produkt s druhou izolační vrstvou stále nabízet ochranu. Důležité je, že součástka definovaná v normě týkající se součástek jako „základní“, je klasifikovaná jako neadekvátní bezpečnostní ochrana.

Dalším důležitým aspektem izolačního výkonu součástky je její vzdušná vzdálenost a povrchová cesta. Vzdušná vzdálenost je nejkratší vzdálenost vzduchem mezi dvěma částmi součástky, zatímco povrchová cesta je nejkratší vzdálenost po povrchu.

Nejlepším způsobem, jak se může návrhář ujistit o izolačním výkonu, je ověřit si, zda má izolátor certifikaci laboratoří VDE a Underwriters Laboratory (UL), a vyžádat si od výrobce izolátoru kopie skutečných certifikátů.

V řadách NXE a NXJ2, kde izolační zábranu mezi prvním a druhým vinutím převodníku tvoří FR4, jsou všechny součástky testovány pomocí 3kV stejnosměrného napětí po dobu jedné sekundy a kvalifikace vzorků je testována pomocí 3kV stejnosměrného napětí po dobu jedné minuty. Izolační odpor je měřen při 10 GΩ a testovacím napětí 1 kV stejnosměrného napětí.

Laboratoř UL potvrdila, že parametry řad NXE a NXJ2 odpovídají normě ANSI/AAMI ES60601-1 a poskytují jeden prostředek ochrany obsluhy („Means of Operator Protection“, MOOP). Měření bylo založeno na max. pracovním napětí 250 V rms mezi primární a sekundární cívkou. Laboratoř UL také prohlašuje, že DC-DC převodníky odpovídají normě UL 60950 na zesílenou izolaci při pracovním napětí 125 V rms. Povrchová cesta pro zařízení je 2,5 mm a vzdušná vzdálenost je 2 mm.

Snížení zvlnění výstupu a EMC

Spínané převodníky napětí s sebou vždy přinášejí výzvy návrhu související se zvlněním napětí a proudu generovaným spínanými prvky. Izolované DC-DC převodníky nejsou výjimkou.

Bez obvodů filtru výstupu je typické zvlnění výstupu z DC-DC převodníků NXE kolem 55 mV s hodnotou špička-špička zvyšující se až na maximálních 85 mVš-š. Odpovídající čísla jsou pro řadu NXJ2 70 mVš-š a 170 mVš-š. Tyto hodnoty mohou být pro mnoho aplikací přijatelné, v některých dalších je však vyžadován stabilnější výstup.

K dramatickému snížení zvlnění výstupního proudu a napětí lze použít obvod filtru výstupu, zobrazený na obrázku 5. Hodnoty induktoru (L) a kondenzátoru (C) se liší v závislosti na napětích vstupu a výstupu DC-DC převodníku, ale například model NXE2S1205MC společnosti Murata (s 12V vstupem a 5V výstupem) vyžaduje induktor s 22 mikrohenry (µH) a kondenzátor s 10 mikrofarady (µF). Výsledkem obvodu filtru výstupu je snížení zvlnění výstupního napětí a proudu na maximálně 5 mVš-š.

Obrázek 5: Tento jednoduchý obvod filtru výstupu s odpovídajícími hodnotami L a C může snížit zvlnění výstupního proudu a napětí izolovaného DC-DC převodníku o celý řád. (Zdroj obrázku: společnost Murata Electronics)

K dosažení co nejlepších výsledků by měl být ekvivalentní sériový odpor (ESR) co nejnižší a jmenovité napětí by mělo být alespoň dvojnásobkem jmenovitého napětí výstupu izolovaného DC-DC převodníku. U induktoru by neměl být jednotlivý proud menší než proud výstupu DC-DC převodníku. U jmenovitého proudu by měl být stejnosměrný odpor induktoru takový, že by úbytek napětí v induktoru měl být méně než 2 procenta jmenovitého napětí DC-DC převodníku.

Ke zmírnění rušení EMI lze k produktům řad NXE a NXJ2 přidat obvod filtru vstupu, viz obrázek 6. Hodnoty L a C se znovu liší v závislosti na napětích vstupu a výstupu DC-DC převodníku, ale například model NXE2S1215MC společnosti Murata (s 12V vstupem a 15V výstupem) vyžaduje induktor s 22 µH a kondenzátor s 3,3 µF.

Obrázek 6: Tento jednoduchý obvod filtru vstupu s odpovídajícími hodnotami L a C může snížit rušivé emise EMI izolovaného DC-DC převodníku až na hodnoty pod údaji nutnými ke splnění požadavků normy EN 55022. (Zdroj obrázku: společnost Murata Electronics)

Jak je uvedeno na obrázku 7, filtrování umožňuje izolovaným DC-DC převodníkům společnosti Murata splnit kvazi-špičkový limit EMC křivky B stanovený normou EN 55022. Zařízení s rušivým vyzařováním EMI musí tyto limity překonat, aby splnila směrnici EMC 2014 EU.

Obrázek 7: Účelem obvodu filtru vstupu uvedeného na obrázku 6 je snížit rušivé emise izolovaného DC-DC převodníku (v tomto případě NXE2S1215MC) pod limity stanovené směrnicí EMC EU. (Zdroj obrázku: společnost Murata Electronics)

Další informace o návrhu obvodu filtru DC-DC převodníků viz technický článek společnosti K dobrému návrhu regulátoru napětí je klíčový výběr kondenzátoru.

Závěr

Izolované DC-DC převodníky hrají zásadní roli v případech, kdy předpisy nebo bezpečnostní opatření vyžadují, aby bylo elektricky odděleno vstupní a výstupní napětí. Izolace pomocí transformátoru však může přinést jiné nevýhody – znatelně vyšší cenu, velikost, proměnlivost výkonu a potíže se sestavením.

Technici si musí být těchto nevýhod vědomi a musí návrhy produktů příslušně přizpůsobit. Izolované DC-DC převodníky obecně postrádají smyčku zpětné vazby, která v neizolovaných produktech umožňuje přesnou regulaci. Se zatížením se tak výstupní napětí může více lišit od nastavené hodnoty než u neizolovaných produktů.

Jak je uvedeno, existují DC-DC řešení, která namísto drahých a rozměrných transformátorů s montáží na desku využívá střídavé vrstvy laminátu FR4 a mědi, které tvoří transformátor vestavěný do substrátu převodníku. Výsledkem je levnější a kompaktní zařízení, které vykazuje lepší opakovatelnost elektrického výkonu mezi součástkami a lze s nimi manipulovat pomocí automatizovaných osazovacích strojů. Tyto izolované DC-DC převodníky také splňují příslušné standardy na vysokonapěťové izolace a testování izolace.