Utilizarea convertoarelor c.c. - c.c. izolate cu transformatoare încorporate în scopul simplificării procesului de asamblare

În dorința de a reduce costurile și spațiul, convertoarele c.c. - c.c. monolitice sunt o bună soluție pentru multe aplicații cu volum mare, însă nu pot fi utilizate în proiectele care impun realizarea izolației electrice a sursei de alimentare de la ieșire. Un bun exemplu sunt dispozitivele medicale. De obicei, se pot utiliza în schimb surse izolate montate pe placă, însă acestea se bazează pe un transformator pentru a obține izolația electrică necesară, reducând astfel eficiența și crescând costul, dimensiunea și greutatea soluției. Totodată, transformatorul introduce variabilitatea în performanța convertorului c.c. - c.c. și face ca asamblarea automată în cazul unui volum mare să devină un proces dificil.

Pentru a aborda multe dintre aceste provocări, proiectanții pot apela la module de convertoare c.c. - c.c. izolate, care au transformatorul încorporat în substratul convertorului.

Acest articol explică circumstanțele în care este necesară utilizarea convertoarelor c.c. - c.c. izolate. Apoi prezintă exemple cu soluțiile oferite de Murata Electronics și arată modul în care acestea pot fi utilizate pentru a realiza izolația fără compromisurile majore de proiectare asociate în mod obișnuit cu convertoarele c.c. - c.c. izolate bazate pe transformatoare. De asemenea, articolul descrie modul în care pachetul convertorului răspunde necesității unui ansamblu automatizat de montare pe suprafețe, de nivel înalt, și arată cum se realizează proiectarea convertoarelor c.c. - c.c. izolate în produse cu o variație minimă a tensiunii și curentului și interferențe electromagnetice reduse (EMI).

Când se utilizează un convertor izolat

Într-un convertor c.c. - c.c. convențional, un singur circuit al regulatorului permite curgerea directă a curentului de la intrare la ieșire. Acest lucru reduce complexitatea, dimensiunea și prețul. Dar există multe aplicații care necesită izolație galvanică (denumită în continuare pur și simplu „izolație”) pentru a separa electric părțile de intrare și ieșire ale dispozitivului. De exemplu, cerințele legate de siguranță pot impune utilizarea unui convertor c.c. - c.c. izolat – folosind un transformator (sau, în unele cazuri, inductoare cuplate) pentru a transfera tensiunea și curentul în spațiul dintre părțile de intrare și ieșire – în special dacă partea de intrare este conectată la tensiuni suficient de mari pentru a pune în pericol oamenii. De asemenea, convertoarele c.c. - c.c. izolate sunt utile pentru eliminarea buclelor parazite prin pământ, separând astfel părțile unui circuit care sunt sensibile la zgomot de sursele acelui zgomot (Figura 1).

Figura 1: Un convertor c.c. - c.c. neizolat de bază (sus) în comparație cu o versiune izolată (jos) care utilizează un transformator pentru izolația galvanică. (Sursă imagine: DigiKey)

O altă caracteristică a unui convertor c.c. - c.c. izolat este o ieșire fluctuantă. În timp ce astfel de convertoare furnizează o tensiune fixă​între bornele de ieșire, acestea nu prezintă o tensiune definită sau fixă în raport cu nivelurile de tensiune din circuitele din care au fost izolate (adică sunt „fluctuante”). Există opțiunea de a conecta ieșirea fluctuantă izolată a unui convertor c.c. - c.c. la un nod al circuitului de pe partea de ieșire pentru a-i fixa tensiunea, care va permite apoi decalarea sau inversarea ieșirii în raport de un alt punct situat în circuitul părții de ieșire. Ca urmare a separării circuitelor de intrare și ieșire, proiectantul trebuie să se asigure că ambele circuite au propriile lor referințe la împământare.

Fișa tehnică pentru un convertor c.c. - c.c. dat prezintă în mod obișnuit tensiunea de izolație – maximul care poate fi aplicat pentru un timp definit (scurt) fără reducerea decalajului curentului. În plus, fișa tehnică detaliază tensiunea maximă de funcționare la care izolația poate rezista continuu, fără a se întrerupe.

Izolația vine cu unele compromisuri. În primul rând, convertoarele izolate tind să fie mai scumpe, deoarece transformatorul (de obicei personalizat) este mai scump decât inductorul echivalent (disponibil la raft) utilizat în versiunea neizolată. Cu cât este mai mare izolația necesară, cu atât costul este mai mare.

În al doilea rând, convertoarele c.c. - c.c. izolate tind să fie mai mari decât versiunile lor neizolate; transformatorul este, în general, mai mare decât inductorul echivalent, iar inductorul tinde să funcționeze la frecvențe de comutare mai mari, reducând în continuare dimensiunea acestuia în comparație cu transformatorul.

În al treilea rând, eficiența, reglarea și repetabilitatea performanței de la componentă la componentă a convertoarelor c.c. - c.c. izolate tinde să fie inferioară convertoarelor neizolate. Transformatorul introduce câteva ineficiențe în comparație cu un inductor, iar bariera de izolație împiedică detectarea directă și bine controlată a ieșirii, pentru o mai bună reglare și performanță a curenților tranzitorii. Deoarece sunt mai mici, convertoarele c.c. - c.c. neizolate pot fi plasate aproape de sarcină pentru a reduce efectele liniilor de transmisie și a îmbunătăți eficiența. De asemenea, deoarece transformatorul din convertoarele izolate este, de obicei, un dispozitiv fabricat la comandă, nu există două dispozitive care să furnizeze exact aceeași ieșire.

În cele din urmă, transformatorul respectiv poate influența, de asemenea, eficiența procesului de asamblare cu volum mare. Profilul convertorului c.c. - c.c. izolat cu un transformator îl face inadecvat pentru asamblarea automată, impunând adăugarea manuală a acestuia la PCB.

Selectarea convertorului c.c. - c.c. izolat

În cazul în care aplicația proiectantului impune realizarea izolației din motive de siguranță sau din alte motive, atunci compromisurile descrise anterior trebuie să fie adaptate. Cercetarea diligentă a componentelor poate dezvălui câteva soluții mai noi, care au fost proiectate pentru a minimiza impactul compromisurilor făcute în proiectare.

De exemplu, Murata a introdus recent convertoarele c.c. - c.c. izolate din seriile NXE (Figura 2) și NXJ2. Acestea sunt concepute pentru abordarea unora dintre provocările tradiționale pe care le prezintă convertoarele c.c. - c.c. izolate.

Figura 2: Convertoarele c.c. - c.c. izolate de la Murata, seriile NXJ2 și NXE (prezentate) includ un transformator încorporat în substratul componentelor pentru a reduce dimensiunea produsului. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Seria NXE oferă până la 2 wați cu opțiuni de intrare de 5 și 12 volți și opțiuni de ieșire de 5, 12 și 15 volți. Curentul de intrare și ieșire variază în funcție de tensiune, dar variază de la o intrare de 542 miliamperi (mA)/ieșire de 400 mA pentru produsul de 5/5 volți la 205/133 mA pentru produsul de 12/15 volți. Gama de produse oferă frecvențe de comutare de la 100 la 130 kilohertzi (kHz), în funcție de model.

În mod similar, seria NXJ2 are un design de 2 wați cu opțiuni de intrare de 5, 12 și 24 de volți și opțiuni de ieșire de 5, 12 și 15 volți. Curentul de intrare și ieșire variază de la o intrare de 550 mA/ieșire de 400 mA pentru produsul de 5/5 volți la 105/133 mA pentru produsul de 24/15 volți. Produsele au frecvențe de comutare de la 95 la 140 kHz.

Convertoarele c.c. - c.c. izolate Murata abordează provocările fabricării automate prin încorporarea transformatorului în substratul dispozitivului. Transformatorul este format din straturi alternative de FR4 – laminatul epoxid armat cu fibră de sticlă utilizat adesea ca bază pentru plăcile cu circuite imprimate – și cupru pentru a crea înfășurările din jurul miezului încorporat. S-a susținut că această construcție a transformatorului încorporat ajută la disiparea căldurii și îmbunătățirea repetabilității performanței între componente.

Rezultatul este un pachet de profil redus (sub 4,5 milimetri (mm)), compact (15,9 x 11,5 mm pentru versiunile de 5 și 12 volți și 16 x 14,5 mm pentru versiunea de 24 de volți), adecvat pentru ambalarea cu bandă și mosor și capabil să fie preluat de duza de vid a unei mașini automate de plasare (Figura 3).

Figura 3: Convertoarele c.c. - c.c. izolate NXE sunt găzduite într-un pachet compact care poate fi alimentat cu bandă și mosor și plasat pe placa PC-ului de către echipamentele de asamblare automate. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Designul transformatorului încorporat are ca rezultat performanțe electrice bune comparativ cu alte designuri de versiuni izolate. Convertoarele c.c. - c.c. izolate funcționează de obicei în domeniul de eficiență de le 55 până la 85% atunci când sunt utilizate sub sarcină maximă. Eficiența seriilor NXE și NXJ2 este în jur de 72% sub o sarcină de 100% cu o ieșire de 5 volți, eficiența crescând la 76% pentru o ieșire de 15 volți și la 78% pentru o ieșire de 24 de volți.

În general, convertoarele c.c. - c.c. izolate nu au o reglare precisă tipică produselor neizolate, deoarece nu au o buclă de feedback electric între ieșire și intrare. Pentru seria NXE, reglarea liniei este de 1,15%/%, iar reglarea sarcinii este între 7 și 11%. Reglarea liniei NXJ2 este 1%/% tipică pentru intrarea de 24 volți și 1,1%/% tipică pentru toate celelalte tipuri de intrare. Acuratețea valorii de referință a tensiunii depinde de curentul sarcinii de ieșire și de dispozitivul NXE sau NXJ2 selectat. De exemplu, soluția NXE2S1215MC cu intrare de 12 volți/ieșire de 15 volți prezintă o variație de la -2 până la -6% comparativ cu punctul de referință la curentul maxim al sarcinii de ieșire (Figura 4).

Figura 4: Convertoarele c.c. - c.c. izolate nu au nu au o reglare precisă tipică convertoarelor c.c. - c.c. neizolate. Precizia punctului de referință al tensiunii variază în funcție de curentul sarcinii de ieșire. Acest exemplu arată precizia tensiunii de ieșire comparativ cu valoarea de referință pentru diferite sarcini pentru NXE2S1215MC, convertorul c.c. - c.c. izolat cu intrare de 12 volți/ieșire de 15 volți. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Înțelegerea specificațiilor

Separarea electrică a intrării de ieșire este adesea o cerință de reglementare, conferind o importanță deosebită condiției ca inginerul să înțeleagă clar ce reglementări trebuie respectate pentru un proiect dat. Acest lucru poate fi dificil, deoarece informațiile pot fi confuze.

De exemplu, standardele de reglementare specifică în mod separat care este izolația necesară pentru o componentă și izolația necesară pentru un produs final – și acestea diferă în fiecare caz. Deci, de exemplu, fișa de specificații pentru o componentă ar putea indica faptul că dispozitivul poate rezista la o tensiune de testare a izolației cuprinsă între 2,5 și 5 kilovolți c.a. și că respectă standardul privind produsele IEC 60950-1, când ceea ce este mai important pentru proiectant este faptul că tensiunea de lucru a izolatorului este, de exemplu, cuprinsă între 150 și 600 volți c.a. și că respectă standardul privind componentele IEC 60747-5-5.

De asemenea, trebuie acordată atenție terminologiei utilizate pentru a descrie nivelurile izolației. „De bază” înseamnă un singur strat de izolație și „Dublu” înseamnă două straturi; „Armat” este un sistem unic de izolație care este echivalent nivelului Dublu. Standardele presupun că într-un strat de izolație poate apărea o singură defecțiune, astfel încât un produs cu un al doilea strat de izolație va oferi în continuare protecție. Este important de notat că atunci când o componentă este definită ca fiind „De bază” într-un standard privind componentele, aceasta este clasificată ca inadecvată pentru protecția siguranței.

Un alt aspect important al performanței izolației oferite de componentă îl reprezintă distanța de siguranță și linia de fugă. Distanța de siguranță este cea mai mică distanță dintre două circuite ale componentei, măsurată la nivelul aerului, în timp ce linia de fugă este cea mai mică distanță măsurată la nivelul unei suprafețe.

Cel mai bun mod în care un proiectant se poate asigura de performanța izolatorului este să verifice dacă izolatorul are certificări VDE și Underwriters Laboratory (UL) și să obțină o copie a certificatelor efective de la producătorul izolatorului.

În cazul seriilor NXE și NXJ2, unde FR4 asigură bariera de izolație între înfășurările primare și secundare ale convertorului, fiecare componentă a fost testată la 3 kilovolți c.c. timp de o secundă, cu calificarea probelor testată la 3 kilovolți c.c. timp de un minut. Rezistența izolației este măsurată la 10 gigaohmi (GΩ), la o tensiune de testare de 1 kilovolt c.c.

Seria NXE și NXJ2 este recunoscută de UL la ANSI/AAMI ES60601-1, oferind un standard MOOP (Mijloace de protecție a operatorului) bazat pe o tensiune de lucru maximă de 250 volți rms, între bobinele primare și secundare. De asemenea, UL recunoaște convertoarele c.c. - c.c. în raport de UL 60950 pentru izolația armată la o tensiune de lucru de 125 volți rms. Linia de fugă pentru dispozitive este de 2,5 mm, iar distanța de siguranță este de 2 mm.

Scăderea variației de ieșire și EMC

Convertoarele de tensiune de comutare vin întotdeauna cu provocări de proiectare legate de variația tensiunii și curentului, generată de elementele de comutare. Convertoarele c.c. - c.c. izolate nu fac excepție de la această regulă.

Fără circuite de filtrare la ieșire, variația tipică la ieșire de la convertoarele c.c. - c.c. NXE este de aproximativ 55 milivolți (mV) vârf-la-vârf (p-p), crescând la maximum 85 mV p-p. Cifrele corespunzătoare pentru seria NXJ2 sunt 70 mV p-p și 170 mV p-p. În timp ce aceste valori sunt acceptabile pentru multe aplicații, altele impun o ieșire mai stabilă.

Circuitul de filtrare la ieșire prezentat în Figura 5 poate fi utilizat pentru reducerea dramatică a variației tensiunii și curentului de ieșire. Valorile inductorului (L) și ale condensatorului (C) variază în funcție de tensiunile de intrare și ieșire ale convertorului c.c. - c.c.; dar, de exemplu, produsul NXE2S1205MC de la Murata (intrare de 12 volți/ieșire de 5 volți) necesită un inductor de 22 microhenri (µH) și un condensator de 10 microfarazi (µF). Efectul circuitului de filtrare la ieșire este reducerea variației tensiunii și curentului de ieșire la o valoare maximă de 5 mV p-p.

Figura 5: Acest circuit simplu de filtrare la ieșire cu valori L și C corespunzătoare poate reduce curentul de ieșire al convertorului c.c. - c.c. izolat și variația tensiunii cu un ordin de mărime. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Pentru cele mai bune rezultate, rezistența de serie echivalentă a condensatorului (ESR) ar trebui să fie cât mai mică posibil, iar tensiunea nominală ar trebui să fie de cel puțin două ori tensiunea nominală de ieșire a convertorului c.c. - c.c. izolat. Pentru inductor, curentul nominal nu trebuie să fie mai mic decât cel al ieșirii convertorului c.c. - c.c. La curentul nominal, rezistența c.c. a inductorului ar trebui să aibă o valoare care să asigure o scădere a tensiunii pe inductor cu mai puțin de 2% din tensiunea nominală a convertorului c.c. - c.c.

Un circuit de filtrare la intrare poate fi adăugat seriilor NXE și NXJ2 pentru a atenua EMI așa cum se arată în Figura 6. Din nou, valorile L și C variază în funcție de tensiunile la intrare și ieșire ale convertorului c.c. - c.c.; de exemplu, produsul NXE2S1215MC de la Murata (intrare 12 volți/ieșire 15 volți) necesită un inductor de 22 µH și un condensator de 3,3 µF.

Figura 6: Acest circuit simplu de filtrare la intrare cu valori L și C corespunzătoare poate reduce emisiile EMI ale convertorului c.c. - c.c. izolat la valori mai mici decât cele necesare pentru a respecta limitele prevăzute în standardul EN 55022. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Conform ilustrației din Figura 7, efectul filtrării permite convertizoarelor c.c. - c.c. izolate Murata să respecte limita EMC pentru curba B de semivârf prevăzută în standardul EN 55022. Un dispozitiv de iradiere EMI trebuie să îmbunătățească aceste limite, astfel încât acestea să respecte prevederile Directivei 2014 EMC a UE.

Figura 7: Efectul circuitului de filtrare la intrare prezentat în Figura 6 este reducerea emisiilor EMI ale convertorului c.c. - c.c. izolat (NXE2S1215MC, în acest caz) sub limitele impuse de Directiva EMC a UE. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Pentru mai multe informații despre proiectarea circuitului de filtrare pentru convertoarele c.c. - c.c., consultați articolul tehnic DigiKey,Selectarea condensatorului este cheia pentru o proiectare de calitate a regulatorului de tensiune.

Concluzie

Convertoarele c.c. - c.c. izolate joacă un rol vital atunci când reglementările sau considerațiile legate de siguranță necesită separarea electrică a tensiunilor de intrare și ieșire. Cu toate acestea, izolația care utilizează un transformator poate aduce compromisuri de proiectare – în special dacă ne referim la costuri, dimensiuni, variabilitatea performanței și provocări legate de asamblare.

Inginerii trebuie să fie conștienți de aceste compromisuri și să proiecteze produsele în consecință. De exemplu, convertoarele c.c. - c.c. izolate nu au, în general, bucla de feedback care să permită reglarea precisă a produselor neizolate, astfel încât tensiunile de ieșire pot varia mai mult în ceea ce privește sarcina din punctul de referință față de componentele recente.

După cum s-a arătat, există soluții c.c. - c.c. care, în loc să utilizeze un transformator scump și voluminos montat pe placă, utilizează straturi alternative de FR4 și cupru pentru a construi un transformator încorporat în substratul convertorului. Rezultatul este un dispozitiv mai puțin costisitor, compact, care prezintă o mai bună repetabilitate a performanței electrice de la componentă la componentă și poate fi manevrat de utilaje automate de plasare. Aceste convertoare c.c. - c.c. izolate respectă și standardele relevante pentru izolația instalațiilor de înaltă tensiune și testarea izolației.