Helpota kokoonpanoa käyttämällä erotettuja DC- DC-muuntimia ja sulautettuja muuntajia

Monoliittiset DC-DC-muuntimet ovat hyvä ratkaisu moniin kappalemääriltään korkeisiin sovelluksiin haluttaessa vähentää kustannuksia ja ratkaisun vaatimaa tilaa, mutta niitä ei voi käyttää tilanteissa, joissa vaaditaan virtalähteen tulon sähköistä erotusta sen lähdöstä. Lääketieteelliset laitteet ovat tästä hyvä esimerkki. Tyypillisesti näiden sijasta voidaan käyttää piirilevylle sijoitettua erotettua virtalähdettä, mutta näissä luotetaan muuntajan tarjoavan tarvittava sähköinen erotus, mikä laskee hyötysuhdetta ja lisää ratkaisun kustannuksia, kokoa ja painoa. Muuntaja myös lisää muutostekijöitä DC-DC-muuntimen suorituskykyyn ja vaikeuttaa suurten kappalemäärien automaattista kokoonpanoa.

Suunnittelijat voivat vastata moniin näistä haasteista kääntymällä erotettujen DC-DC-muunninmoduulin puoleen. Näissä muuntaja on sijoitettu muuntimen perusrakenteeseen.

Tässä artikkelissa kerrotaan missä olosuhteissa erotettujen DC-DC-muuntimien käyttöä vaaditaan. Tämän jälkeen artikkeli esittelee esimerkkiratkaisuita Murata Electronics -yritykseltä ja näyttää, miten niitä voidaan käyttää erotuksen saavuttamiseen. Tämä voidaan tehdä ilman, että suunnittelua pitäisi merkittävästi muuttaa, vaikka muuntajapohjaisissa erotetuissa DC-DC-muuntimissa tämä tyypillisesti on välttämätöntä. Artikkelissa kuvataan myös miten muuntimen kotelo täyttää korkeatasoisen ja automaattisen pintaliitosasennuksen vaatimukset sekä miten suunnitella erotetut DC-DC-muuntimet tuotteisiin minimaalisella jännite- ja virta-aaltoilulla sekä minimoiden sähkömagneettiset häiriöt (EMI).

Milloin käyttää erotettua muunninta

Konventionaalisessa DC-DC-muuntimessa yksittäinen regulaattoripiiri ohjaa sähkövirran suoraan tulosta lähtöön. Tämä vähentää kompleksisuutta, kokoa ja hintaa. On kuitenkin useita sovelluksia, joissa vaaditaan galvaanista erottamista (tähän viitataan tästä eteenpäin yksinkertaisesti “erotuksena”), joka erottaa sähköisesti laitteen tulon ja lähdön toisistaan. Esimerkiksi turvallisuusvaatimukset saattavat vaatia erotetun DC-DC-muuntimen käyttöä ja muuntajan käyttöä (tai eräissä tapauksissa kytkettyjen induktorien) jännitteen ja sähkövirran siirtämiseen tulo- ja lähtöpuolien välisen raon ylitse, erityisesti jos tulopuoli on kytketty jännitteeseen, joka on korkeudeltaan ihmisille vaarallinen. Erotetut DC-DC-muuntimet ovat käytännöllisiä myös maasilmukoiden poistamisessa ja näin ollen virtapiirin kohinaherkkien osien erottamiseen kyseisen kohinan lähteistä (kuva 1).

Kuva 1: Yksinkertainen ei-erotettu DC-DC-muunnin (ylhäällä) verrattuna erotettuun versioon (alhaalla), joka käyttää muuntajaa galvaaniseen erottamiseen. (Kuvan lähde: DigiKey)

Toinen erotetun DC-DC-muuntimen ominaisuus on kelluva lähtö. Vaikka tällaiset muuntimet tarjoavat kiinteän jännite-eron laitteen lähtöterminaalien välille, ne eivät tarjoa määrättyä tai kiinteää jännitettä siihen virtapiiriin verrattuna, josta ne on erotettu (ts. ne “kelluvat”). On mahdollista yhdistää erotetun DC-DC-muuntimen kelluva lähtö virtapiiriin lähtöpuolella ja tällä tavoin asettaa jännite kiinteäksi. Tällöin lähtöä voidaan siirtää tai invertoida toiseen virtapiirin lähtöpuolella sijaitsevaan pisteeseen verrattuna. Tästä tulo- ja lähtöpiirien erotuksesta johtuen suunnittelijoiden on varmistettava, että kummallakin virtapiirillä on oma maareferenssinsä.

DC-DC-muuntimen tekniset tiedot sisältävät tyypillisesti laitteen erotusjännitteen, joka on maksimijännite, joka laitteeseen voidaan kohdistaa määrätyn (lyhyen) aikaa ilman, että sähkövirta ylittää rakoa. Tekniset tiedot selittävät lisäksi suurimman sallitun käyttöjännitteen, jolla laitetta voidaan jatkuvasti käyttää erotuksen hajoamatta.

Erotus tuo mukanaan kompromisseja. Ensiksikin erotetut muuntimet tapaavat olla kalliimpia, koska (tyypillisesti räätälöity) muuntaja on kalliimpi kuin vastaava ei-erotetussa versiossa käytettävä (valmis) induktori. Mitä korkeampi erotus vaaditaan, sitä kalliimpaa se on.

Toiseksi erotetut DC-DC-muuntimet tapaavat olla suurempia kuin ei-erotetut versiot; muuntaja on tavallisesti suurempi kuin vastaava induktori ja induktori tapaa toimia korkeammalla kytkentätaajuudella, mikä ennestään pienentää sen kokoa muuntajaan verrattuna.

Kolmanneksi komponenttikohtainen hyötysuhde, regulointi ja suorituskyvyn toistettavuus tapaa olla erotetuissa DC-DC-muuntimissa heikompi kuin ei-erotetuissa muuntimissa. Muuntaja sisältää tehokkuuspuutteita induktoriin verrattuna ja erotussuojaus estää lähdön suoran mittauksen ja tarkan ohjauksen, mitä reguloinnin ja transienttisuorituskyvyn parantamiseksi tarvittaisiin. Koska ne ovat pienempiä, ei-erotetut DC-DC-muuntimet voidaan sijoittaa lähelle kuormaa siirtojohtovaikutuksien vähentämiseksi ja hyötysuhteen parantamiseksi entisestään. Koska erotettujen muunninten muuntajat ovat lisäksi tyypillisesti räätälityönä valmistettuja laitteita, ei ole kahta laitetta jotka tuottaisivat täsmälleen saman lähdön.

Lopuksi muuntajat saattavat haitata tehokasta kappalemäärältään korkeaa kokoonpanoprosessia. Muuntajaa käyttävän erotetun DC-DC-muuntimen profiili ei sovi automaattiseen kokoonpanoon, jolloin se on lisättävä piirilevylle käsin.

Erotetun DC-DC-muuntimen valinta

Jos suunniteltava sovellus vaatii erotusta turvallisuussyistä tai muista syistä, niin edellä esitetyt kompromissit on otettava huomioon. Ahkera komponenttien tutkiminen saattaa paljastaa uusia ratkaisuita, joiden tarkoitus on minimoida suunnittelukompromissien vaikutukset.

Esimerkiksi Murata on hiljattain esitellyt yrityksen NXE- (kuva 2) ja NXJ2-sarjan erotetut DC-DC-muuntimet. Nämä laitteet on suunniteltu vastaamaan eräisiin traditionaalisiin haasteisiin, joita erotettuihin DC-DC-muuntimiin liittyy.

Kuva 2: Muratan erotetut DC-DC-muuntimet NXJ2 ja NXE (kuvassa) käyttävät muuntajaa, joka on sijoitettu komponentin perusrakenteeseen tuotteen koon pienentämiseksi. (Kuvan lähde: Murata Electronics)

NXE-sarja tarjoaa jopa 2 watin tehon. Tulojännite on 5 tai 12 volttia ja lähtöjännite 5, 12 tai 15 volttia. Tulo- ja lähtövirta vaihtelevat jännitteen mukaan ja ovat välillä 542 milliampeeria (mA) tulo / 400 mA lähtö 5/5 voltin versiossa aina 205/133 mA:han 12/15 voltin versiossa. Tuotesarjan kytkentätaajuus on 100–130 kilohertsiä (kHz) mallista riippuen.

Vastaavasti NXJ2-sarja tarjoaa jopa 2 watin tehon. Tulojännite on 5, 12 tai 24 volttia ja lähtöjännite 5, 12 tai 15 volttia. Tulo- ja lähtövirta vaihtelevat välillä 550 mA tulo / 400 mA lähtö 5/5 voltin versiossa aina 105/133 mA:han 24/15 voltin versiossa. Tuotteissa käytetään kytkentätaajuuksia 95–140 kHz.

Muratan erotetut DC-DC-muuntimet vastaavat automatisoidun valmistuksen haasteisiin sijoittamalla muuntajan laitteen perusrakenteeseen. Muuntaja muodostetaan vuorottelevista FR4-kerroksista (lasikuituvahvistettu epoksilaminaatti, jota käytetään usein piirilevyjen perustana) ja kuparikerroksista käämin muodostamiseksi ytimen ympärille. Sulautetun muuntajarakenteen väitetään parantavan lämmönhallintaa ja parantavan suorituskyvyn toistettavuutta komponenttien kesken.

Tuloksena on matalaprofiilinen (alle 4,5 millimetriä (mm)), kompakti (15,9 x 11,5 mm 5:n ja 12 voltin versiot ja 16 x 14,5 mm 24 voltin versio) kotelo, joka sopii nauha- ja kelapakkaukseen, ja joka voidaan poimia automattisen ladontakoneen alipainekärjellä (kuva 3).

Kuva 3: Erotetut NXE DC-DC-muuntimet sijaitsevat kompaktissa kotelossa, jota voidaan käyttää nauha- ja kelasyötössä ja joka voidaan asettaa piirilevylle automaattisilla ladontalaitteilla. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Rakenteeltaan sulautettu muuntaja tarjoaa hyvän sähköisen suorituskyvyn muihin erotettuihin rakenteisiin verrattuna. Erotetut DC-DC-muuntimet toimivat tyypillisesti 55–85 %:n hyötysuhteella täydellä kuormituksella. NXE-sarja ja NXJ2-sarja toimivat noin 72 %:n hyötysuhteella 100 %:n kuormalla ja 5 voltin lähdöllä. Hyötysuhde nousee 76 prosenttiin 15 voltin lähdöllä ja 78 prosenttiin 24 voltin lähdöllä.

Erotetut DC-DC-muuntimet eivät tavallisesti tarjoa ei-erotetuille tuotteille tyypillistä tarkkaa regulointia, koska niissä ei ole sähköistä takaisinkytkentäsilmukkaa lähdön ja tulon välillä. NXE-sarjassa linjan regulointi on 1,15 %/% ja kuorman regulointi 7–11 %. NXJ2:n linjan regulointi on tyypillisesti 1 %/% 24 voltin tulolle ja 1,1 %/% kaikille muille tulotyypeille. Jännitteen asetuspisteen tarkkuus riippuu kuorman lähtövirrasta ja siitä onko kyseessä NXE- vai NXJ2-laite. Esimerkiksi NXE2S1215MC on 12 voltin tulon /15  voltin lähdön ratkaisu, jonka tarkkuus vaihtelee välillä -2 .. -6 % asetetun pisteen suhteen täydellä kuorman lähtövirralla (kuva 4).

Kuva 4: Erotetut DC-DC-muuntimet eivät tarjoa ei-erotetuille DC-DC-muuntimille tyypillistä tarkkaa regulointia. Asetetun jännitteen tarkkuus vaihtelee kuorman lähtövirrasta riippuen. Tämä esimerkki näyttää lähtöjännitteen tarkkuuden asetuspisteeseen verrattuna erilaisilla kuormilla piirille NXE2S1215MC (Muratan 12 voltin tulon / 15 voltin lähdön erotettu DC-DC-muunnin). (Kuvalähde: Murata Electronics)

Spesifikaation ymmärtäminen

Tulon sähköinen erotus lähdöstä on usein lakisääteinen vaatimus. On tärkeää, että suunnittelijat tietävät tarkkaan mitä vaatimuksia säännökset asettavat suunnitelmalle. Tämä voi olla vaikeaa, koska tiedot voivat olla harhaanjohtavia.

Sääntelystandardit esimerkiksi määrittävät erikseen komponentilta vaadittavan erotuksen ja lopputuotteelta vaadittavan erotuksen – koska ne ovat kummallekin erikseen. Näin esimerkiksi komponentin tekniset tiedot voivat sanoa, että laite kestää erotustestijännitteen 2,5–5 kilovolttia (AC) ja että se täyttää tuotestandardin IEC 60950-1, kun suunnittelijalle taas on tärkeämpää tietää erottimen käyttöjännite, esimerkiksi 150–600 volttia (AC), ja että se täyttää komponenttistandardin IEC 60747-5-5.

Myös erotustasojen kuvailussa käytetty terminologia on otettava huomioon. “Perus” on yhden kerroksen erotus ja “kaksois” on kahden kerroksen; “vahvistettu” on yksi erotusjärjestelmä joka vastaa kaksoiskerrosta. Standardi olettaa että yhden kerroksen erotuksessa voi tapahtua yksittäinen virhe, jolloin kahta erotuskerrosta käyttävä tuote tarjoaa vielä suojauksen. On tärkeää huomata, että komponenttistandardissa “perus”-tasoinen komponentti on luokiteltu turvaamisen kannalta riittämättömäksi.

Toinen komponentin erotussuorituskyvyn tärkeä ominaisuus on sen ilmaväli ja pintaväli. Ilmaväli on kahden komponenttipiirin välinen lyhin etäisyys ilmassa, kun taas pintaväli on lyhin etäisyys pinnalla.

Paras tapa, jolla suunnittelija voi varmistua erotustehosta, on varmistaa, että erottimella on VDE- ja UL (Underwriters Laboratory) -sertifioinnit sekä hankkia erottimen valmistajalta kopio voimassaolevasta sertifikaatista.

NXE- ja NXJ2-sarjan kohdalla, missä FR4 tarjoaa erotussuojauksen muuntimen ensiö- ja toisiokäämitysten välille, jokainen komponentti on testattu 3 kilovoltin (DC) jännitteellä sekunnin ajan ja laatutestauksessa on testattu näytteitä 3 kilovoltin (DC) jännitteellä minuutin ajan. Erotusvastus mitataan 10 gigaohmilla (GΩ) testijännitteellä 1 kilovolttia (DC).

UL on todistanut NXE- ja NXJ2-sarjojen täyttävän ANSI/AAMI ES60601-1 -standardin ja tarjoavan ensiö- ja toisiokäämitysten väliin yhden MOOP-tason (Means of Operator Protection) perustuen käyttöjännitteeseen 250 volttia rms maks. UL on todistanut DC-DC-muuntimien täyttävän UL 60950 -standardin koskien vahvistettua erotusta käyttöjännitteellä 125 volttia rms. Laitteiden pintaväli on 2,5 mm ja ilmaväli 2 mm.

Lähtöaaltoilun ja EMC:n vähentäminen

Hakkuria käyttävät jännitemuuntimet lisäävät suunnitelmaan aina haasteita, jotka liittyvät kytkentäelementtien synnyttämään jännitteen ja sähkövirran aaltoiluun. Erotetut DC-DC-muuntimet eivät ole poikkeus.

Ilman lähtösuodatinpiirejä lähdön tyypillinen aaltoilu NXE DC-DC-muuntimissa on noin 55 millivolttia (mV) huipusta huippuun (p-p) ja enimmillään se on 85 mVp-p. NXJ2-sarjan vastaavat arvot ovat 70 mVp-p ja 170 mVp-p. Vaikka nämä arvot ovat monissa sovelluksissa hyväksyttäviä, toiset vaativat stabiilimpaa lähtöä.

Kuvassa 5 näytetty lähtösuodatinpiiri voi dramaattisesti laskea lähtövirran ja -jännitteen aaltoilua. Induktiokelan (L) ja kondensaattorin (C) arvot riippuvat DC-DC-muuntimen tulo- ja lähtöjännitteistä; esimerkiksi Muratan NXE2S1205MC (12 voltin tulo / 5 voltin lähtö) vaatii 22 mikrohenrin (µH) induktiokelan ja 10 mikrofaradin (µF) kondensaattorin. Lähtösuodatinpiiri laskee lähtöjännitteen ja -sähkövirran aaltoilun arvoon enintään 5 mVp-p.

Kuva 5: Tämä yksinkertainen lähtösuodatinpiiri sopivilla L- ja C-arvoilla voi laskea erotetun DC-DC-muuntimen lähtövirran ja -jännitteen aaltoilua kertaluokalla. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Parhaan tuloksen saamiseksi kondensaattorin ESR-arvon (Equivalent Series Resistance) tulisi olla mahdollisimman alhainen ja jänniteluokituksen tulisi olla vähintään kaksinkertainen erotetun DC-DC-muuntimen nimelliseen lähtöjännitteeseen nähden. Induktiokelan nimellisvirran ei tule olla pienempi kuin DC-DC-muuntimen nimellisvirta. Induktiokelan DC-vastuksen tulisi olla nimellisvirralla niin pieni, että jännitehäviö induktiokelan ylitse on alle 2 prosenttia DC-DC-muuntimen nimellisjännitteestä.

NXE- ja NXJ2-sarjaan voidaan lisätä tulosuodatinpiiri kuvassa 6 näytetyllä tavalla. Tässäkin arvot L ja C riippuvat DC-DC-muuntimen tulo- ja lähtöjännitteistä; esimerkiksi Muratan NXE2S1215MC (12 voltin tulo / 15 voltin lähtö) vaatii 22 µH:n induktiokelan ja 3,3 µF:n kondensaattorin.

Kuva 6: Tämä yksinkertainen tulosuodatinpiiri sopivilla L- ja C-arvoilla voi laskea erotetun DC-DC-muuntimen EMI-häiriöitä niin, että se täyttää EN 55022 -vaatimukset. (Kuvan lähde: Murata Electronics)

Kuten kuvassa 7 näytetään, suodatuksen ansiosta Muratan erotetut DC-DC-muuntimet täyttävät EN 55022 -standardin Curve B Quasi-Peak EMC -vaatimukset. EMI-häiriöitä synnyttävän laitteen on oltava näiden arvojen alapuolella täyttääkseen EU:n EMC-direktiivin 2014.

Kuva 7: Kuvassa 6 näytetty tulosuodatinpiiri vähentää erotetun DC-DC-muuntimen (tässä tapauksessa NXE2S1215MC) EMI-häiriöt alle EU:n EMC-direktiivin raja-arvojen. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Katso lisätietoja suodatinpiirin suunnittelusta DC-DC-muuntimia varten Digi-Keyn teknisestä artikkelista Kondensaattorin valinta on avaintekijä hyvän jänniteregulaattorin suunnittelussa.

Yhteenveto

Erotetuilla DC-DC-muuntimilla on tärkeä osa kun säädökset tai turvallisuusvaatimukset edellyttävät tulo- ja lähtöjänniteteiden sähköistä erotusta. Erotuksen toteuttaminen muuntajalla voi tuoda suunnitteluun kompromisseja – huomattavimmat ovat hinta, koko, suorituskyvyn muutokset sekä kokoonpanon haasteet.

Insinöörien on tiedettävä nämä kompromissit ja suunniteltava tuotteet niiden mukaisesti. Erotetut DC-DC-muuntimet eivät esimerkiksi tarjoa takaisinkytkentäsilmukkaa, joka mahdollistaisi ei-erotetuissa tuotteissa käytettävän tarkan reguloinnin, joten lähtöjännitteet voivat poiketa asetuspisteestä enemmän kuorman mukaan kuin näissä jälkimmäisissä komponenteissa.

Kuten artikkelissa osoitetaan, tarjolla on DC-DC-ratkaisuita, jotka käyttävät piirilevylle asennettavan kalliin ja isokokoisen muuntajan sijasta vuorottelevia FR4- ja kuparikerroksia muuntajan muodostamiseksi muuntimen perusrakenteeseen. Tulos on edullisempi ja kompaktimpi laite, jonka komponenttikohtainen sähköinen suorituskyky on toistettavasti parempi ja jota voidaan käsitellä automaattisissa ladontakoneissa. Nämä erotetut DC-DC-muuntimet myös täyttävät korkeajännite-erotusta ja erotustestausta koskevat standardit.