Transzformátoralapú DC-DC átalakítók a könnyű szerelésért
A költség és a helyigény csökkentése érdekében a monolitikus DC-DC átalakítók jó megoldást jelentenek sok nagy sorozatú alkalmazáshoz, de nem használhatók olyan konstrukciókban, amelyeknél a tápegység bemenetét elektromosan el kell választani a kimenettől. Ilyenek például az orvosi készülékek. A monolitikus DC-DC átalakítók helyett jellemzően panelre szerelt szigetelt tápegységek használhatók, de ezek a szükséges elektromos elválasztás érdekében transzformátorra épülnek, ezáltal csökkentve a hatásfokot és növelve a megoldás költségét, méretét és súlyát. A transzformátor ugyanakkor szóródást okoz a DC-DC átalakító teljesítményében, és megnehezíti a tömeges automatizált összeszerelést.
Ezen problémák nagy részét a tervezők megoldhatják elválasztott DC-DC átalakító modulok segítségével, amelyekben a transzformátor az átalakító alaplapjába beágyazva található.
Ez a cikk bemutatja azokat a körülményeket, amelyek elválasztott DC-DC átalakítók használatát teszik szükségessé. Ezután megoldási példákat ismertet a Murata Electronics eszközeinek használatával, és bemutatja, hogyan valósítható meg velük az elválasztás anélkül, hogy sérülnének a transzformátoralapú DC-DC átalakítókkal szemben tipikusan támasztott követelmények. A cikk azt is leírja, hogy az átalakító tokozása miként felel meg a magas szintű, automatizált felületre szerelés feltételeinek, és bemutatja, hogyan kell betervezni az elválasztott DC-DC átalakítókat a termékekbe úgy, hogy minimális legyen a feszültség- és áramingadozás, valamint minél kisebb elektromágneses interferencia (EMI) alakuljon ki.
Mikor kell elválasztott átalakítót használni
A hagyományos DC-DC átalakítóban egy szabályozó áramkör teszi lehetővé az áram folyását közvetlenül a bemenettől a kimenetig. Ez csökkenti a bonyolultságot, a méretet és az árat. Sok olyan alkalmazás van azonban, amely galvanikus elválasztást (a későbbiekben egyszerűen „elválasztás”-t) igényel a készülék bemeneti és kimeneti oldalainak elektromos elkülönítéséhez. A biztonsági követelmények például előírhatják elválasztott DC-DC átalakító használatát – transzformátor (vagy egyes esetekben csatolt induktivitások) használatával a feszültség és az áram bemeneti és kimeneti oldal közötti továbbítására – különösen akkor, ha a bemeneti oldal emberekre veszélyes nagyságú feszültségre csatlakozik. Az elválasztott DC-DC átalakítók a földhurkok felbontására is használhatók, ezzel különítve el az áramkör zajra érzékeny részeit a zaj forrásaitól (1. ábra).
1. ábra Nem elválasztott DC-DC átalakító alapáramkör (fent) a galvanikus elválasztásra transzformátort alkalmazó elválasztott változattal (lent) összehasonlítva (Kép: Digi-Key Electronics)
Az elválasztott DC-DC átalakítók további jellemzője a lebegő kimenet. Az ilyen átalakítók ugyan fix feszültséget szolgáltatnak a kimeneti kapcsok között, nincs azonban meghatározott vagy rögzített feszültségük azon áramkörök feszültségszintjéhez viszonyítva, amelyektől el vannak választva (vagyis „lebegnek”). Lehetőség van az elválasztott DC-DC átalakító lebegő kimenetének összekapcsolására a kimeneti oldalon lévő áramköri csomóponttal a feszültség rögzítése érdekében, ezáltal lehetővé válik a kimenet eltolása vagy megfordítása a kimeneti oldali áramkör egy másik pontjához képest. A bemeneti és kimeneti áramkörök elválasztása miatt a tervezőnek biztosítania kell, hogy mindkét áramkör saját referenciafölddel rendelkezzen.
Egy adott DC-DC átalakító adatlapja általában megadja annak szigetelési feszültségét, vagyis azt a maximális értéket, amely meghatározott (rövid) ideig alkalmazható anélkül, hogy bekövetkezne a bemenet és a kimenet közötti áramáthidalás. Ezenkívül az adatlap megadja azt a maximális üzemi feszültséget is, amely folyamatosan fennállhat az elválasztás megszűnése nélkül.
Az elválasztás bizonyos kompromisszumokkal jár. Először is, az elválasztott átalakítók általában drágábbak, mert a (tipikusan egyedi) transzformátor drágább, mint a nem elválasztott változatban használt egyenértékű (kereskedelemben kapható) induktivitás. Minél nagyobb fokú elválasztás szükséges, annál nagyobb a költség.
Másodszor, az elválasztott DC-DC átalakítók általában nagyobbak a nem szigetelt változatoknál. A transzformátor általában nagyobb az azzal egyenértékű induktivitásnál, és az induktivitás hajlamos magasabb kapcsolási frekvenciákon működni, tovább csökkentve a méretet a transzformátorhoz képest.
Harmadszor, az elválasztott DC-DC átalakítók hatásfoka, szabályozhatósága és a teljesítmény megismételhetősége az alkatrészek szintjén általában alacsonyabb, mint a nem elválasztott átalakítóké. A transzformátor hatásfoka kisebb az induktivitáshoz képest, továbbá az elválasztás megakadályozza a kimenet közvetlen érzékelését és annak gyors vezérlését a jobb szabályozás és a tranziensek tűrése érdekében. Mivel kisebbek, a nem elválasztott DC-DC átalakítók elhelyezhetők a terhelés közelében, csökkentve az átviteli vonalakban fellépő hatásokat és tovább növelve a hatásfokot. Továbbá, mivel az elválasztott átalakítókban lévő transzformátor tipikusan egyedi gyártású, nincs két olyan készülék, amely pontosan ugyanazt a kimenetet adná.
Végül, a transzformátor akadályozhatja a hatékony, nagy sorozatban történő gyártás-összeszerelés folyamatát is. A transzformátorral ellátott DC-DC átalakító a kialakítása miatt nem alkalmas az automatizált összeszerelésre, szükségképpen kézzel kell beültetni a nyomtatott áramkörbe.
Az elválasztott DC-DC átalakító kiválasztása
Ha a megvalósítani kívánt alkalmazás biztonsági vagy más okból elválasztást igényel, akkor a tervezőnek figyelembe kell vennie az előzőleg ismertetett kompromisszumokat. Az alapos alkatrészkeresés feltárhat néhány olyan újabb megoldást, amelyek a kialakításuknál fogva a tervezési kompromisszumokat minimalizálhatják.
Például a Murata nemrég mutatta be NXE (2. ábra) és NXJ2 sorozatú elválasztott DC-DC átalakítóit. Ezeket úgy tervezték, hogy megfeleljenek az elválasztott DC-DC átalakítókhoz köthető egyes hagyományos kihívásoknak.
Az NXE sorozat maximum 2 W teljesítményt szolgáltat 5 és 12 V-os bemeneti opciókkal és 5, 12, illetve 15 V-os kimeneti opciókkal. A bemeneti és kimeneti áram a feszültségtől függ, a tartomány az 5/5 V-os készülék 542 milliamper (mA) bemeneti/400 mA kimeneti áramától a 12/15 V-os készülék 205/133 mA áramáig terjed.
A termékcsalád kapcsolási frekvenciája 100–130 kilohertz (kHz) a típustól függően.
2. ábra A Murata NXJ2 és NXE elválasztott DC-DC átalakítói tartalmaznak egy transzformátort is, amely a termék méretének csökkentése céljából be van ágyazva az alkatrészeket hordozó alaplapba (Kép: Murata Electronics)
Az NXJ2 sorozat hasonlóképpen egy 2 W-os készülék 5, 12 és 24 V-os bemeneti opciókkal és 5, 12, illetve 15 V-os kimeneti opciókkal. A bemeneti és kimeneti áram a feszültségtől függ, a tartomány az 5/5 V-os készülékek 550 milliamper (mA) bemeneti/400 mA kimeneti áramától a 24/15 V-os készülék 105/133 mA áramáig terjed. A család kapcsolási frekvenciája 95–140 kHz.
A Murata elválasztott DC-DC átalakítói az automatizált gyártás kihívásainak igyekeznek megfelelni azáltal, hogy a transzformátor a készülék alaplapjába van beágyazva. A transzformátor a nyomtatott áramkörök alapanyagaként gyakran használt FR4 üvegszál-erősítésű epoxilaminát váltakozó rétegeiből, illetve a beágyazott magot körülvevő tekercseket alkotó rézből áll. A beágyazott transzformátor ilyen kialakításának célja a hőelvezetés elősegítése és a teljesítmény megismételhetőségének javítása az alkatrészek szintjén.
Az eredmény egy 4,5 milliméter (mm) alatti alacsony profilú, az 5 és 12 voltos változatnál 15,9 × 11,5 mm, míg a 24 voltos változatnál 16 × 14,5 mm helyigényű kompakt, szalag- és orsócsomagolásra alkalmas tokozás, amelyek kezelésére az automatizált beültető gépek vákuumfúvókái képesek (3. ábra).
3. ábra Az NXE elválasztott DC-DC átalakítók kompakt tokozásúak, ezáltal automata szerelőberendezések segítségével szalagról és orsóról való adagolásra, illetve beültetésre alkalmasak (Kép: Murata Electronics)
A beágyazott transzformátoros kialakítás jó elektromos teljesítőképességet eredményez más elválasztott kivitelekhez képest. Az elválasztott DC-DC átalakítók általában az 55–85%-os hatásfoktartományban működnek teljes terhelés mellett. Az NXE sorozat és az NXJ2 sorozat hatásfoka 100%-os terhelés mellett körülbelül 72% az 5 V-os kimenetnél, míg ez a 15 V-os kimenetnél 76%-ra, a 24 V-os kimenetnél pedig 78%-ra nő.
Az elválasztott DC-DC átalakítók általában nem rendelkeznek a nem elválasztott termékekre jellemző pontos szabályozással, mivel a kimenet és a bemenet között nincs elektromos visszacsatoló hurok. Az NXE sorozat esetében a vonali szabályozás terjedelme 1,15%/%, a terhelés szabályozási terjedelme 7 és 11% közötti. Az NXJ2 sorozatnál a vonali szabályozás értéke tipikusan 1%/% 24 V-os bemenet és 1,1%/% minden más bemenet esetén. A feszültség alapértékének pontossága a kimenet terhelőáramától és attól függ, hogy az NXE vagy az NXJ2 eszköz van-e alkalmazva. Az NXE2S1215MC 12 V-os bemenetű és 15 V-os kimenetű megoldás például -2 és -6% közötti változást mutat az alapértékhez képest teljes kimeneti terhelőáram esetén (4. ábra).
4. ábra Az elválasztott DC-DC átalakítóknál a nem elválasztott termékekre jellemző pontos szabályozás általában nincs jelen. A feszültség alapértékének pontossága a kimenet terhelőáramától függ. A példa a Murata NXE2S1215MC típusú 12 V-os bemeneti és 15 V-os kimeneti feszültségű elválasztott DC-DC átalakítója kimeneti feszültségének alapértékhez képesti pontosságát mutatja különböző terhelések mellett (Kép: Murata Electronics)
A műszaki jellemzők értelmezése
A bemenet és a kimenet elektromos elválasztása gyakran szabályozási követelmény, ami nélkülözhetetlenné teszi, hogy a mérnök tisztában legyen az adott konstrukció szabályozási követelményeivel. Ezt megnehezítheti, hogy az információk megtévesztőek lehetnek.
A szabályozásra vonatkozó szabványok például külön rendelkeznek az alkatrészekre és a végtermékre vonatkozó elválasztásról – és ez mindegyiknél más és más. Például egy alkatrész műszaki adatlapja tartalmazhatja azt, hogy az eszköz elviseli a 2,5 × 5 kV-os AC szigetelési tesztfeszültséget, és hogy megfelel az IEC 60950-1 jelű termékszabványnak, a tervező számára azonban fontosabb, hogy a szigetelő üzemi feszültsége például 150–600 V AC és hogy ezzel az IEC 60747-5-5 jelű alkatrészszabvány előírásait teljesíti.
Gondosan kell eljárni a szigetelési szintek megadásakor használt terminológiát illetően is. A „Basic” egyetlen szigetelő rétegű szigetelést jelöl, a „Double” két réteget, míg eközben a „Reinforced” pedig a Double minősítésűvel egyenértékű egyrétegű rendszer. A szabványok azt feltételezik, hogy egyetlen hiba léphet fel az egyik szigetelésrétegben, ezért egy második szigetelésréteggel ellátott termék még védelmet biztosít. Fontos, hogy ha egy alkatrész az alkatrészszabvány szerint „Basic” minősítéssel rendelkezik, akkor az a biztonsági védelem szempontjából nem megfelelőnek minősül.
Az alkatrész szigetelőképességének további fontos jellemzői a légvonaltávolság és a felületi távolság (kúszóáramút). A légvonaltávolság két alkatrész áramkörei között légvonalban mért legrövidebb távolság, a felületi távolság pedig a közöttük lévő, felületen mért legrövidebb távolság.
A tervező a legjobban annak ellenőrzésével győződhet meg a szigetelő teljesítőképességéről, hogy az rendelkezik-e VDE és Underwriters Laboratory (UL) tanúsítványokkal, és beszerzi azok aktuális kiadásait a szigetelő gyártójától.
Az NXE és NXJ2 sorozatok esetében, ahol az FR4 biztosítja az átalakító primer és szekunder tekercsei közötti elválasztást, minden alkatrészt 3 kV DC feszültséggel teszteltek egy másodpercig, egyes mintadarabokat pedig minősítési célból egy percig ugyancsak 3 kV DC feszültséggel.
A mért szigetelési ellenállás 10 Gigaohm (GΩ) 1 kV DC feszültség mellett.
Az UL által az ANSI / AAMI ES60601-1 szabványnak megfelelően minősített NXE és NXJ2 sorozatok a primer és szekunder tekercsek között 250 V rms max. üzemi feszültséget alapul véve a kezelő számára biztosítják a védelem egy módját (MOOP – Means of Operator Protection). Az UL ugyancsak megfelelőnek minősíti a DC-DC átalakítókat az UL 60950 jelű szabvány alapján 125 V rms üzemi feszültségre megerősített szigetelés szempontjából. Az eszközökre vonatkozóan a felületi távolság 2,5 mm, a légvonaltávolság pedig 2 mm.
5. ábra Ez a megfelelő L és C értékekkel rendelkező egyszerű kimeneti szűrőáramkör egy nagyságrenddel képes csökkenteni a szigetelt DC-DC átalakító kimeneti áram- és feszültségingadozását (Kép: Murata Electronics)
6. ábra Ez a megfelelő L és C értékekkel rendelkező bemeneti szűrőáramkör olyan mértékben képes csökkenteni a szigetelt DC-DC átalakító elektromágneses interferenciát (EMI) okozó zavarkibocsátását, hogy annak mértéke megfelel az EN 55022 jelű szabvány határértékeinek (Kép: Murata Electronics)
A kimeneti hullámosság csökkentése és az elektromágneses összeférhetőség (EMC) javítása
A kapcsolóüzemű feszültségátalakítók mindig tervezési kihívást jelentenek a kapcsolóelemek által létrehozott feszültség- és áramingadozások tekintetében. Ez alól az elválasztott DC-DC átalakítók sem kivételek.
Kimeneti szűrőáramkörök nélkül az NXE DC-DC átalakítók tipikus kimeneti hullámossága csúcstól-csúcsig (p-p) körülbelül 55 mV és maximum 85 mV p-p értéket érhet el. Az NXJ2 sorozat megfelelő értékei 70 mV p-p és 170 mV p-p. Miközben ezek az értékek számos alkalmazáshoz megfelelőek, egyes esetekben stabilabb kimenetre van szükség.
Az 5. ábrán látható kimeneti szűrőáramkörrel drámai mértékben csökkenthető a kimeneti áram- és feszültségingadozás. Az induktivitás (L) és a kapacitás (C) értéke a DC-DC átalakító bemeneti és kimeneti feszültségétől függ, de például a Murata NXE2S1205MC (12 V bemenet / 5 V kimenet) készülékéhez 22 mikrohenry (µH) induktivitás és 10 mikrofarád (µF) kapacitás szükséges. A kimeneti szűrőáramkör hatására a kimeneti áram- és feszültségingadozás 5 mV p-p értékre csökken.
A legjobb eredményhez a kondenzátor egyenértékű soros ellenállásának (ESR) a lehető legkisebbnek, a névleges feszültségnek pedig a DC-DC átalakító névleges kimeneti feszültségének legalább a kétszeresének kell lennie. A tekercs névleges árama nem lehet kisebb, mint a DC-DC átalakító kimeneti árama. Névleges áram mellett a tekercs egyenáramú ellenállásának olyannak kell lennie, hogy a rajta eső feszültség kisebb legyen, mint a DC-DC átalakító névleges feszültségének 2 százaléka.
Az elektromágneses interferencia (EMI) csökkentése érdekében az NXE és NXJ2 sorozatokhoz bemeneti szűrő csatlakoztatható a 6. ábrán látható módon. Ahogy említettük, az L és C érték a DC-DC átalakító bemeneti és kimeneti feszültségétől függ, a Murata NXE2S1215MC (12 V-os bemenet / 15 V-os kimenet) típusú készülékéhez 22 µH induktivitású tekercs és 3,3 µF kapacitású kondenzátor szükséges.
A 7. ábrán látható, hogy a szűrésnek köszönhetően a Murata elválasztott DC-DC átalakítói meg tudnak felelni az EN 55022 jelű szabvány B jelű görbéje szerinti kvázi-csúcs EMC határértéknek. Az elektromágneses interferenciát (EMI) okozó jelet kisugárzó eszköznek ezen határértékeknél jobban kell teljesíteniük, hogy megfeleljenek az EU 2014. évi EMC irányelveinek.
A DC-DC átalakítók szűrőáramköreinek tervezéséről a Digi-Key „A jó feszültségszabályozó tervezésének kulcsa a kondenzátor kiválasztása” című műszaki cikkében olvashat bővebben.
7. ábra Az ábrán az elválasztott DC-DC átalakító (jelen esetben az NXE2S1215MC) elektromágneses interferenciát (EMI) okozó jelei kibocsátásának az EU EMC irányelve által maghatározott szint alatt tartására szolgáló bemeneti szűrőáramkör hatása látható (Kép: Murata Electronics)
Összegzés
Az elválasztott DC-DC átalakítók létfontosságú szerepet töltenek be, amikor az előírások vagy biztonsági megfontolások megkövetelik a bemeneti és kimeneti feszültség elektromos elválasztását. A transzformátorral történő elválasztás azonban tervezési kompromisszumokat vonhat maga után – a változó költségek, méretek és teljesítmény, illetve az összeszerelés során jelentkező kihívások miatt.
A mérnököknek figyelembe kell venniük ezeket a kompromisszumokat, és ennek megfelelően kell megtervezniük a termékeket. Az elválasztott DC-DC átalakítókból például általában hiányzik a nem elválasztott termékek pontos szabályozását lehetővé tevő visszacsatoló hurok, ezért terhelés hatására a kimeneti feszültségek az utóbbi komponenseknél jóval nagyobb mértékben térhetnek el az alapértéktől.
Mint ahogy azt bemutattuk, vannak olyan DC-DC megoldások, amelyek a panelre szerelt drága és terjedelmes transzformátorok helyett FR4 és réz váltakozó rétegeit használják az átalakító alaplapjába beágyazott transzformátor felépítéséhez. Az eredmény egy olcsóbb, kompakt eszköz, amely megismételhető elektromos teljesítményt biztosít az alkatrészek szintjén és automatizált beültető gépekkel való használatra is alkalmas. Az elválasztott DC-DC átalakítók teljesítik a nagyfeszültségű szigetelésre és a szigetelés tesztelésére vonatkozó szabványok előírásait is.
Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics
Digi-Key Electronics
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail:
még több Digi-Key Electronics
