Kehittyneet DC/DC-muuntimet yksinkertaistavat teollisuuden, lääketieteen ja kuljetusalan sähköjärjestelmien suunnittelua

Elektroniikan käytön lisääntyessä teollisuus-, kuljetus- ja lääketieteellisissä sovelluksissa niissä käytettävien sähköjärjestelmien suunnittelijoiden on varmistettava korkea suorituskyky fyysisesti ja sähköisesti vaativissa ympäristöissä ja samalla täytettävä tiukat lainsäädännölliset ja turvallisuusvaatimukset. Samanaikaisesti niiden on pysyttävä jatkuvasti tiukentuvien budjetti- ja suunnittelurajoitusten rajoissa.

DC/DC-muunnin on ajan myötä kehittynyt dramaattisesti vastaamaan monia näistä vaatimuksista. Niiden koko on pienentynyt suuremman tehotiheyden vuoksi ja tilan säästämiseksi ja niiden laajat tulojännitealueet yksinkertaistavat inventaariota ja vähentävät BOM-osaluetteloa. Muita parannuksia suunnittelijan tehtävän helpottamiseksi ovat kohinaltaan alhaiset lähdöt, tiukempi kuormituksen säätely, vahvat suojaus- ja turvaominaisuudet sekä huomattava panostus lämmönhallintaan. Kuten suunnittelijat tietävätkin, kaikki DC/DC-muuntimet eivät kuitenkaan ole samoja, joten suunnittelijoiden on oltava komponenttien valinnassa huolellisia jotta suunnittelu ja sovellus voisivat onnistua.

Tässä artikkelissa esitellään DC/DC-muuntimia seuraavilta yrityksiltä: Bellnix , HVM Technology , Murata Power Solutions , Vicor ja XP Power. Esiteltävät muuntimet ovat kompakteja, niiden rippeli ja kohina ovat alhaiset ja ne tarjoavat yhden tai kaksi lähtöjännitettä. Artikkelissa myös korostetaan ja selitetään ominaisuuksia ja parannuksia sekä kuinka ne voivat auttaa suunnittelijoita tehostamaan virran säätömahdollisuuksia, vähentämään kohinaa, varmistamaan itsesuojauksen sekä tarjoamaan parempaa lämmönhallintaa.

Kuinka DC/DC-muuntimet toimivat

Kuten nimestä voi päätellä, DC/DC-muunnin ottaa tulojännitteen tasavirtalähteestä ja muuntaa sen erisuuruiseksi tasajännitelähdöksi. Lähtöjännite voi olla joko pienempi (buck-muunnin, jännitteenalennus) tai korkeampi (boost-muunnin, jännitteenkorotus) kuin tulojännite. DC/DC-muuntimet ovat joko erotuksella tai ilman. Erotettu DC/DC-muunnin käyttää muuntajaa tasavirtareitin poistamiseen tulo- ja lähtöliitäntöjen väliltä (kuva 1).

Kuva 1: Tämä DC/DC-muunnin on erotettu, kuten tulo- ja lähtövaiheiden välillä olevasta muuntajasta voidaan nähdä. (Kuvan lähde: XP Power)

Sitä vastoin erottamattomissa DC/DC-muuntimissa, joita käytetään usein jännitemuutoksen ollessa pieni, tulon ja ulostulon välillä on tasavirtareitti.

Tärkeimmät suorituskykyyn ja suunnitteluun liittyvät näkökohdat

DC/DC-muuntimien tärkeimpiä suorituskykyominaisuuksia ovat hyötysuhde, virran nimellisarvo, rippelijännite, säätöominaisuudet, transienttivaste, jänniteluokitus, koko ja paino. Katso lisätietoja linkistä "Johdanto DC/DC-muuntimiin."”. Suunnittelijoiden on myös kiinnitettävä huomiota muuntimen kykyyn tukea monenlaisia nimellisjännitteitä. Tämän ansiosta yksi muunnin voi tukea monia sovelluksia – tämä vähentää inventaariota ja logistiikkaa – olettaen, että se pystyy myös tarjoamaan odotettavissa olevien kuormituksien tarvitseman lähtöjännitteen ja nimellisvirran.

Sovelluksesta ja virtalähteen luonteesta riippuen myös ylijännitesuojaus, alijännitesuojaus, suojaus käänteiseltä polariteetilta, oikosulkusuojaus ja suojaus ylikuumenemiselta ovat ratkaisevan tärkeitä. Samoin hyvä sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) koskevien määräysten noudattaminen ovat pakollisia. Tämä on erityisen tärkeää, kun otetaan huomioon, että DC/DC-muuntimissa käytettävät hakkurivirtalähteet voivat synnyttää melua suoraan kuormaan ja voivat lähettää radiotaajuista kohinaa, joka voi vaikuttaa lähellä sijaitsevien piirien stabiilisuuteen ja tarkkuuteen.

Viimeiseksi, suunnittelijoiden tulisi tarkistaa huolellisesti muuntimen lämpöominaisuudet sovelluksen suunnittelun ja käyttöolosuhteiden kontekstissa, jotta riittävää ilmanvaihtoa ja muita lämmönhallintatekniikoita voidaan soveltaa tarpeen mukaan.

DC/DC-muuntajissa pienempi on parempi

Useat sovellukset vaativat pienikokoisia DC/DC-muuntajia säästääkseen tilaa ja yksinkertaistaakseen asennusta. Tällaisia sovelluksia varten Bellnix on suunnitellut OHV-sarjan 1,5 watin keskisuuren-korkean jännitteen DC/DC-muuntimet, jotka erityisesti vähentävät tarvittavaa asennusaluetta lähes 60 % verrattuna kehitysaikana saatavana oleviin moduuleihin. Esimerkkilaitteena toimii OHV12-1.0K1500P, SiP-järjestelmäpaketti, jonka mitat ovat 44 x 16 x 30 millimetriä (mm) ja jonka lähtöteho on 1000 volttia 1,5 milliampeerin (mA) sähkövirralla (kuva 2). Bellnix suunnitteli sarjan myös pitämään rippelijännitteen niinkin alhaisella tasolla kuin 5 millivolttia (mV) huipusta huippuun ( _PP ).

Kuva 2: Bellnixin erittäin kompakti OHV12-1.0K500P-muunnin, jonka koko on 44 x 16 x 30 mm ja joka tarjoaa 1000 volttia 1,5 mA: n virralla. (Kuvan lähde: Bellnix)

Sarja toimii 11–13 voltin tulolla ja 0,28 ampeerin (A) sähkövirralla. Tästä se voi tuottaa mallista riippuen jännitteen nollan ja +/– 1000 voltin (0–1,5 mA), 1500 voltin (0–1,0 mA) tai 2000 voltin (0–0,7 mA) välillä.

Laitteiden alhainen 5 mV:n _PP rippeli ja kohina on tärkeä sellaisissa sovelluksissa kuten instrumentointi, joissa korkeajännitesyötön epävakaus voi synnyttää kohinaa ja vaikuttaa laitteen tarkkuuteen. Bellnix on kehittänyt oman piiritekniikkansa kohinan minimoimiseksi, ja vaikka laitteet ovat itsenäisiä eivätkä vaadi ulkoisia komponentteja, suunnittelijat voivat lisätä komponentteja vähentääkseen kohinaa entisestään ja myös laskeakseen tuloimpedanssia (kuva 3).

Kuva 3: Suunnittelijat voivat lisätä liitinpuolelle kondensaattorin C1 tulon ja muuntimen välisestä johtimen pituudesta johtuvan tuloimpedanssin pienentämiseksi. Kohinaa voidaan vähentää edelleen, lisäämällä C2 kuorman ylitse. (Kuvan lähde: Bellnix)

Esimerkiksi muuntimen ja virtalähteen välisestä etäisyydestä aiheutuvan tuloimpedanssin vähentämiseksi tuloon voidaan lisätä kondensaattori C1. Tämä kondensaattori tulisi sijoittaa muuntimen liitinpuolelle johtimien induktanssin vähentämiseksi. kondensaattori (C2) voidaan sijoittaa kohinan vähentämiseksi huolellisesti kuorman läheisyyteen siten, että sen tulo- ja lähtöjohdotus on minimaalinen ja kiinnittäen erityistä huomiota ryömintään ja alueellisiin etäisyyksiin.

Kaikilla sarjan laitteilla on sisäänrakennettu oikosulku- ja ylivirtasuoja, ja ne parantavat edelleen virtalähteen luotettavuutta viisipuolisella metallikotelolla, jossa käytetään lisäsuojausta laitteen suojaamiseksi liialliselta kuumuudelta ja lämpötilalta. OHV-sarjan lähtöjännitettä voidaan ohjata välillä 0 V – 2000 V ulkoisella jännitteellä tai ulkoisella säätövastuksella.

HVM Technologyn nHV-sarja tarjoaa paristoilla toimivien laitteiden suunnittelijoille tarkkaan säädeltyä 100 milliwattia (mW) tehoa 1 kilovoltin (kV) jännitteeseen saakka kotelossa, jonka mitat ovat 11,4 mm x 8,9 mm ja korkeus 9,4 mm. Erityisesti kuormitussäätö on <0,2 % (tyypillinen) kuormittamattomasta täyteen kuormaan.

NHV-sarja käyttää 5 voltin tulojännitettä (4,5 volttia ± 0,5 volttia). Mallista riippuen lähtöjännite on välillä -1200 volttia ( NHV0512N ) ja 1200 volttia ( NHV0512 ) sähkövirralla 83 mikroampeeria (µA) aina -100 volttiin ( NHV0501N ) ja 100 volttiin ( NHV0501 ) sähkövirralla 1 mA.

Sarja käyttää korkean impedanssin ohjelmointituloa (100 kilo-ohmia (kΩ)), minkä ansiosta laitteiden asennus on helppoa ja mikä ansiosta matalaimpedanssista säädettävää virtalähteen jännitettä ei tarvita. Lähtöjännite on riippumaton tulojännitteestä ja on sen sijaan verrannollinen ohjelmointijännitteeseen. Tämä varmistaa robustin lineaarisuuden.

Laaja tulojännitealue

Kuten nHV-sarja, myös XP Powerin DTJ15 ja DTJ20 -sarjan 15 watin ja 20 watin DC/DC-muuntimet ovat pienikokoisia. Tämä helpottaa asennusta ja energiatehokasta käyttöä, mutta nämä tarjoavat jotain lisää: ne voidaan asentaa runkoon tai DIN-kiskoon ja kytkeä ruuviliittimillä (kuva 4).

Kuva 4: DTJ15- ja DTJ20-sarjan DC/DC-muuntimet on optimoitu pienikokoisiksi, ne voidaan asentaa helposti käyttämällä DIN-kiskoja ja niissä on laaja tulojännitealue. (Kuvan lähde: XP Power)

Helpon asennuksen lisäksi näissä jännitetehonmuuntimissa on tärkeää se, että ne kykenevät kattamaan laajan tasajännitetuloalueen 9 voltista 36 volttiin ja 18 voltista 75 volttiin. Erilaisten tulojännitelähteiden (mukaan lukien useat nimellisakkujännitteet ja ajoneuvotarvikkeet) ansiosta näitä muuntimia voidaan käyttää erilaisissa teollisuuden, kaupan ja viestinnän sovelluksissa.

DTJ15- ja DTJ20-sarjan DC/DC-ohjaimet tarjoavat yhteensä 14 varianttia yksilähtölaitteita jännitteillä 3,3 volttia, 5,0 volttia, 12,0 volttia ja 15,0 volttia, sekä kaksoislähtölaitteita jännitteillä ±5,0 volttia, ±12,0 volttia sekä ±15,0 volttia (kuva 5).

Kuva 5: DTJ15- ja DTJ20-sarjan DC/DC-muuntimissa on huomattavaa niiden laaja tulojännitealue ja lähtöjännitealueelleen. Jälkimmäiset muodostavat yhteensä 14 varianttia. Kuvassa DTJ15:n, 15 watin muuntimen lähtö. (Kuvan lähde: XP Power)

Etäohjaustoiminto PÄÄLLE / POIS PÄÄLTÄ mahdollistaa sen, että DC/DC-muunninta voidaan ohjata ohjelmistolla. Tämä auttaa hallitsemaan yleistä virrankulutusta ja sen ansiosta muualla sijaitsevia asennuskohteita voidaan käyttää tehokkaasti.

Toinen tärkeä ominaisuus DTJ15- ja DTJ20-sarjan DC/DC-muuntimissa on pehmeä käynnistys, joka muuttaa lähtöjännitettä hallitulla nopeudella moduloimalla sisäistä virhevahvistimen referenssiä. Tämä saa lähtöjännitteen approksimoimaan paloittaista lineaarista ramppia, joka loppuu, kun jännite saavuttaa nimellislähtöjännitteen. Muita DTJ15- ja DTJ20-sarjan ohjaimien tarjoamia suojausominaisuuksia ovat oikosulkusuojaus ja suojaus sisääntulon käänteiseltä polariteetilta.

Valikoima suojausominaisuuksia

Sähköjärjestelmien suunnittelu rautatie-, teollisuus- ja kuljetussovelluksiin vaatii nopeat asettumisajat transienteille askelkuormille. Muut transientit tapahtumat, kuten tulo- ja lähtöjännitteen värähtelyt, tekevät itsesuojausominaisuuksista kriittisiä DC/DC-muuntimien turvallisen ja luotettavan toiminnan kannalta.

Virranrajoituksessa, jota kutsutaan myös tehonrajoitukseksi, heti kun lähtövirta nousee noin 130 prosenttiin nimellisarvostaan, DC/DC-muunnin siirtyy virranrajoitustilaan. Tämän seurauksena lähtöjännite alkaa laskea vastaavassa suhteessa, jotta tehonhäviö pysyisi suhteellisen tasaisena.

Jos DC/DC-muuntimen lämpötila nousee ympäristöolosuhteiden vuoksi suunnitellun käyttölämpötilan yläpuolelle, tarkka lämpötila-anturi sammuttaa yksikön. Kun sisäinen lämpötila laskee lämpötila-anturin kynnyksen alapuolelle, DC/DC-muunnin käynnistyy itsestään.

Muratan IRE-Q12-sarjan erotetuissa DC/DC-muuntajat tarjoavat itsesuojausominaisuuksia sen varmistamiseksi, että korkeammista kapasitiivisista kuormat eivät aiheuta haitallisia vaikutuksia (kuva 6). Esimerkiksi IRE-12/10-Q12PF-C- sisältää kaikki tarvittavat itsesuojausominaisuudet samalla kun se täyttää EN50155-vaatimukset liittyen akun nimellisjännitteen ylläpitämiseksi jännitteen laskiessa ja transienttitilanteissa.

Kuva 6: IRE-Q12-sarjan muuntimet käyvät läpi kattavan testauksen, jolla varmistetaan, että ne kestävät rautatie- ja teollisuussovelluksissa tyypilliset ankarat ympäristöolosuhteet. (Kuvan lähde: Murata)

IRE-Q12-sarjan muuntimet tarjoavat yhden 120 watin erotetun lähdön tulojännitealueella 9–36 volttia tavanomaisessa eighth-brick-kotelossa ja sen vaatimassa koossa. Se tarjoaa myös kaksi pohjalevyvaihtoehtoa, yhden minimaalisella levytilankulutuksella, toisen uritetulla laipalla, jolla se kiinnitetään mekaanisesti jäähdytyselementtiin.

Näiden DC/DC-muuntimien lähtöä voidaan leikata +/-10 %, jolla varmistetaan nopeat asettumisajat transienteille askelkuormille. Lisäksi kaikki muuntimet testataan ja tulosta heijastuneen rippelivirran, tuloliittimen rippelivirta ja lähdön kohina määritetään.

Tehotilat: itsenäinen ja ryhmä

Vicorin DCM2322 on erotettu DC/DC-muunninsarja, joka käyttää reguloimatonta DC-sisääntuloa 9–50 volttia ja generoi erotetun 28 voltin lähtöjännitteen (kuva 7). Se perustuu yrityksen kaksoisrajoitettuun nollajännitekytkennän (DC-ZVS) topologiaan, jonka ansiosta se voi tarjota korkean 93 prosentin hyötysuhteen koko tulojännitealueella.

Kuva 7: DC-ZVS-topologia mahdollistaa DCM2322-muuntimien jopa 93 prosentin tehokkuuden (Kuvan lähde: Vicor)

DC/DC-muunninmoduulit (DCM), esimerkkinä DCM2322T50T3160T60 , hyödyntävät Vicorin ChiP-kotelotekniikan lämpö- ja tiheyshyötyjä, jotka jakavat sisäisesti tuotetun lämmön tasaisesti pakkauksen pintaan. ChiP-tekniikan ansiosta DCM-muuntimet voivat tarjota myös joustavat lämmönhallintavaihtoehdot erittäin alhaisilla ylä- ja alapuolen lämpöimpedansseilla.

Tehokkaan lämpöjakauman ansiosta DCM-yksiköt voivat tarjota yhteydet monista säätelemättömistä virtalähteistä kuormituspisteeseen. Ne tarjoavat sekä tulo- että lähtöylijännitesuojauksen sekä muita viankäsittelymekanismeja, jotka sammuttavat muuntimet, kun vika havaitaan (kuva 8).

Kuva 8: DCM-muuntimet tarjoavat vikojen valvontaominaisuuksia sekä turvaominaisuuksia, joihin sisältyvät mm. virranrajoitus ja pehmeä käynnistys. (Kuvan lähde: Vicor)

Näiden ominaisuuksien ansiosta DCM-muuntimet tarjoavat reguloidun lähtöjännitteen määriteltyjen nimelliskuormituslinjojen ja lämpötilakertoimien läheisyydessä. Jos muuntimen sisälämpötila ylittää asetetun rajan, laite rekisteröi lämpötilavian ja voimansiirto lakkaa heti kytkemästä. Muunnin odottaa, että sisäinen lämpötila palaa annettuun kynnysarvoon, ja käynnistyy sitten uudelleen.

Lisäksi nämä DC/DC-muuntimet tarjoavat integroidun EMI-suodatuksen, tiukan lähtöjännitesäädön ja toissijaisen referenssiohjausliittymän. Samalla ne säilyttävät perinteisen brick-arkkitehtuurin perushyödyt suunnittelussa.

Sovelluksissa, jotka vaativat enemmän virtaa kuin yksi DC/DC-muunnin voi toimittaa, esimerkkinä datakeskukset ja tietoliikennelaitteet, useita laitteita voidaan käyttää rinnakkain. Useita DCM-muuntimia voidaan käyttää rinnakkain ryhmämoodissa. Tämä mahdollistaa kuorman jakamisen ja korkeamman tehon silloinkin, kun muuntimet käyttävät erilaisia tulojännitteitä. Vicor on hyväksynyt ryhmään enintään kahdeksan DC/DC-muunninta, mikä tarjoaa 480 watin kapasiteetin.

Yhteenveto

Teollisuus-, kuljetus- ja instrumentointisovelluksissa sekä lääketieteellisissä sovelluksissa käytettävien virtalähteiden suunnittelijat kohtaavat lukuisia haasteita ja kustannuksia ja niiden tarpeet vaihtelevat laajoista tulojännitealueista lämmönhallintaan ja kuorman jakamiseen. Kuten artikkelissa on esitetty, DC/DC-muuntimet ovat kuitenkin kehittyneet yhä pienemmiksi, helposti asennettaviksi ja itsenäisiksi virtalähteiksi, jotka poistavat monet näistä haasteista.

Silti parempaa suorituskykyä haluavat suunnittelijat voivat käyttää tähän lisäkomponentteja. Myös jos tarvitaan enemmän joustavuutta, etä- ja ohjelmoitavia ominaisuuksia on saatavana yhä enemmän impedanssikompensoinnin suorittamiseksi ja monien suojausominaisuuksien käyttämiseksi. Näillä voidaan ehkäistä ylikuumenemista, vastata transientteihin tilanteisiin sekä vähentää järjestelmän kokonaisvirrankulutusta.

Lisätietoja

1. Johdanto DC/DC-muuntimin