DC/DC-Wandler : Die Vorteile isolierter DC/DC-Wandler

Im Bestreben, Kosten und Platzbedarf zu reduzieren, sind monolithische DC/DC-Wandler eine gute Lösung für viele Anwendungen mit hohen Stückzahlen. Aber sie können nicht in Designs eingesetzt werden, die eine galvanische Trennung des Stromversorgungseingangs vom Ausgang erfordern. Medizinische Geräte sind ein gutes Beispiel. In der Regel können stattdessen isolierte Stromversorgungen für die Leiterplattenmontage verwendet werden, die jedoch auf einen Transformator angewiesen sind, um die erforderliche elektrische Isolierung zu erreichen, wodurch der Wirkungsgrad gesenkt und die Kosten, die Größe und das Gewicht der Lösung erhöht werden. Der Transformator führt auch zu einer Variabilität in der Leistung des Gleichspannungswandlers und erschwert die automatisierte Montage in hohen Stückzahlen.

Um viele dieser Herausforderungen zu bewältigen, können Entwickler auf isolierte DC/DC-Wandlermodule zurückgreifen, bei denen der Transformator in das Substrat des Wandlers eingebettet ist.

In diesem Artikel werden die Umstände erläutert, die den Einsatz von isolierten DC/DC-Wandlern erfordern. Anschließend werden Beispiellösungen von Murata Electronics vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Erreichung der Isolation ohne die großen Designkompromisse eingesetzt werden können, die typischerweise mit transformatorbasierten isolierten DC/DC-Wandlern verbunden sind. Der Artikel beschreibt auch, wie das Gehäuse des Wandlers die Anforderungen einer hochgradigen, automatisierten Oberflächenmontage erfüllt, und zeigt, wie die isolierten DC/DC-Wandler zu Produkten mit minimaler Spannungs- und Stromwelligkeit und reduzierter elektromagnetischer Interferenz (EMI) entwickelt werden können.

In einem herkömmlichen DC/DC-Wandler ermöglicht eine einzige Reglerschaltung den direkten Stromfluss vom Eingang zum Ausgang. Dadurch werden Komplexität, Größe und Preis reduziert. Es gibt jedoch viele Anwendungen, die eine galvanische Trennung (auch als „Isolation“ bezeichnet) erfordern, um die Eingangs- und Ausgangsseite des Geräts elektrisch zu trennen. Zum Beispiel können Sicherheitsanforderungen die Verwendung eines isolierten DC/DC-Wandlers vorschreiben, der einen Transformator (oder in einigen Fällen gekoppelte Induktivitäten) verwendet, um Spannung und Strom über die Lücke zwischen Eingangs- und Ausgangsseite zu übertragen - insbesondere wenn die Eingangsseite an Spannungen angeschlossen ist, die hoch genug sind, um Menschen zu gefährden. Isolierte DC/DC-Wandler sind auch nützlich, um Erdschleifen aufzubrechen und so rauschempfindliche Teile einer Schaltung von den Rauschquellen zu trennen.

Ein weiteres Merkmal eines isolierten DC/DC-Wandlers ist ein potentialfreier Ausgang. Solche Wandler liefern zwar eine feste Spannung zwischen den Ausgangsklemmen, aber sie weisen keine definierte oder feste Spannung relativ zu den Spannungspegeln in den Schaltungen auf, von denen sie isoliert wurden (d.h. sie sind "schwebend"). Es besteht die Möglichkeit, den potentialfreien Ausgang eines isolierten DC/DC-Wandlers mit einem Schaltungsknoten auf der Ausgangsseite zu verbinden, um seine Spannung zu fixieren, wodurch der Ausgang dann relativ zu einem anderen Punkt in der ausgangsseitigen Schaltung verschoben oder invertiert werden kann. Wegen der Trennung von Eingangs- und Ausgangsschaltungen muss der Entwickler sicherstellen, dass beide Schaltungen ihre eigenen Massebezüge haben.

Das Datenblatt für einen bestimmten DC/DC-Wandler führt typischerweise dessen Isolationsspannung auf - das Maximum, das für eine definierte (kurze) Zeit angelegt werden kann, ohne dass der Strom die Lücke überbrückt. Darüber hinaus gibt das Datenblatt die maximale Betriebsspannung an, die ohne Unterbrechung der Isolierung dauerhaft verwendet werden kann.

Isolation bringt einige Kompromisse mit sich. Erstens sind isolierte Wandler tendenziell teurer, weil der (in der Regel maßgefertigte) Transformator teurer ist als die entsprechende (handelsübliche) Drossel, die in der nicht isolierten Version verwendet wird. Je höher die erforderliche Isolierung, desto höher die Kosten. Zweitens sind isolierte DC/DC-Wandler tendenziell größer als nicht isolierte Versionen; der Transformator ist im Allgemeinen größer als die äquivalente Drosselspule, und die Drosselspule neigt dazu, bei höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten, wodurch ihre Größe im Vergleich zum Transformator weiter verringert wird. Drittens sind der Wirkungsgrad, die Regelung und die Performancewiederholbarkeit von Komponente zu Komponente bei isolierten DC/DC-Wandlern tendenziell schlechter als bei nicht isolierten Wandlern. Der Transformator bringt im Vergleich zu einer Induktivität einige Ineffizienzen mit sich, und die Isolationsbarriere verhindert, dass der Ausgang direkt erfasst und streng kontrolliert werden kann, um eine bessere Regulierung und ein besseres Einschwingverhalten zu erreichen. Da sie kleiner sind, können nicht isolierte DC/DC-Wandler nahe an der Last platziert werden, um Übertragungsleitungseffekte zu reduzieren und den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. Da es sich bei dem Transformator in isolierten Wandlern in der Regel um eine maßgefertigte Komponente handelt, liefern keine zwei Komponenten exakt die gleiche Ausgabe.

Schließlich kann dieser Transformator auch einem effizienten Montageprozess in großen Stückzahlen im Wege stehen. Das Profil des isolierten DC/DC-Wandlers mit einem Transformator macht ihn für eine automatisierte Bestückung ungeeignet, so dass er von Hand auf die Leiterplatte aufgebracht werden muss.

Wenn die Anwendung des Entwicklers aus Sicherheits- oder anderen Gründen eine Isolierung erfordert, dann müssen die zuvor beschriebenen Kompromisse berücksichtigt werden. Sorgfältige Komponentenforschung kann einige neuere Lösungen aufzeigen, die so konzipiert wurden, dass die Auswirkungen der Designkompromisse minimiert werden.

Zum Beispiel hat Murata vor kurzem seine NXE- (Abbildung 2) und NXJ2-Serien isolierter DC/DC-Wandler eingeführt. Diese wurden entwickelt, um einige der traditionellen Herausforderungen zu bewältigen, die isolierte DC/DC-Wandler darstellen.

Die NXE-Serie bietet bis zu 2 Watt mit Eingangsoptionen von 5 und 12 Volt und Ausgangsoptionen von 5, 12 und 15 Volt. Eingangs- und Ausgangsstrom variieren je nach Spannung, reichen aber von 542 Milliampere (mA) Eingangs-/400 mA Ausgangsstrom für das 5/5-Volt-Produkt bis 205/133 mA für das 12/15-Volt-Produkt. Die Produktpalette umfasst je nach Modell Schaltfrequenzen von 100 bis 130 Kilohertz (kHz).

Die NXJ2-Serie ist eine 2-Watt-Baureihe mit 5, 12 und 24 Volt Eingangsoptionen und 5, 12 und 15 Volt Ausgangsoptionen. Der Eingangs- und Ausgangsstrombereich reicht von 550 mA Eingang/400 mA Ausgang für das 5/5-Volt-Produkt bis 105/133 mA für das 24/15-Volt-Produkt. Die Produkte verfügen über Schaltfrequenzen von 95 bis 140 kHz.

Die isolierten DC/DC-Wandler von Murata stellen sich den Herausforderungen der automatisierten Fertigung, indem sie den Transformator in das Substrat des Bauelements einbetten. Der Transformator besteht aus abwechselnden Schichten aus FR4 - dem glasfaserverstärkten Epoxidlaminat, das häufig als Basis für Leiterplatten verwendet wird - und Kupfer, um die Wicklungen um den eingebetteten Kern zu erzeugen. Die eingebettete Transformatorkonstruktion soll die Wärmeableitung unterstützen und die Wiederholbarkeit der Performance zwischen den Komponenten verbessern.

Das Ergebnis ist ein flaches (unter 4,5 Millimeter (mm)) und kompaktes (15,9 x 11,5 mm für die 5- und 12-Volt-Versionen und 16 x 14,5 mm für die 24-Volt-Version) Gehäuse, das für auf Rollen gegurtete Komponenten (Tape-and-Reel) geeignet ist und von der Vakuumdüse eines Bestückungsautomaten aufgenommen werden kann.

Das eingebettete Transformatordesign führt im Vergleich zu anderen isolierten Designs zu einer guten elektrischen Leistung. Isolierte DC/DC-Wandler arbeiten unter Volllast typischerweise im Bereich von 55 bis 85% Wirkungsgrad. Die Serien NXE und NXJ2 haben einen Wirkungsgrad von ca. 72 % bei 100 % Last und einem 5-Volt-Ausgang. Bei einem 15-Volt-Ausgang steigt der Wirkungsgrad auf 76 % und bei einem 24-Volt-Ausgang auf 78 %.

Isolierten DC/DC-Wandlern fehlt im Allgemeinen die präzise Regelung, die für nicht isolierte Produkte typisch ist, da sie über keine elektrische Rückkopplungsschleife zwischen Ausgang und Eingang verfügen. Bei der Baureihe NXE beträgt die Netzregelung 1,15 %/% und die Lastregelung zwischen 7 und 11%. Die Netzregelung des NXJ2 beträgt 1 %/% typisch für einen 24-Volt-Eingang und 1,1 %/% typisch für alle anderen Eingangstypen. Die Genauigkeit des Spannungssollwerts hängt vom Ausgangslaststrom und der gewählten NXE- oder NXJ2-Komponente ab. Die Lösung NXE2S1215MC mit 12 Volt Eingang / 15 Volt Ausgang weist beispielsweise bei vollem Ausgangslaststrom eine Abweichung von -2 bis -6% gegenüber dem Sollwert auf

Die elektrische Trennung von Eingang und Ausgang ist oft eine regulatorische Anforderung, weshalb es wichtig ist, dass sich der Ingenieur klar macht, welche Vorschriften für ein bestimmtes Design gelten. Dies kann schwierig sein, da die Informationen verwirrend sein können.

Beispielsweise legen die gesetzlichen Normen die für eine Komponente erforderliche Isolierung und die für ein Endprodukt erforderliche Isolierung getrennt voneinander fest - und sie ist für beide unterschiedlich. So könnte z.B. auf dem Datenblatt für ein Bauteil angegeben sein, dass die Komponente einer Isolationsprüfspannung von 2,5 bis 5 Kilovolt AC standhalten kann und dass es der Produkt-Norm IEC 60950-1 entspricht, wenn es für den Konstrukteur wichtiger ist, dass die Arbeitsspannung des Isolators z.B. 150 bis 600 Volt AC beträgt und dass es der Bauteilnorm IEC 60747-5-5 entspricht.

Vorsicht ist auch hinsichtlich der Terminologie geboten, die zur Beschreibung der Isolationsebenen verwendet wird. „Einfach (Basic)“ ist eine einzelne Isolationsschicht und „Doppelt (Double)“ zwei Schichten; „Verstärkt (Reinforced)“ ist ein einzelnes Isolationssystem, das dem „Doppelt (Double)“ entspricht. Die Normen gehen davon aus, dass ein einziger Fehler in einer Isolationsschicht auftreten kann, so dass ein Produkt mit einer zweiten Isolationsschicht immer noch Schutz bietet. Wichtig: Wenn eine Komponente in einer Komponentennorm als „Einfach (Basic)“ definiert ist, wird sie als unzureichende Schutzmaßnahme eingestuft.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Isolationsleistung des Bauteils ist die Luft- und Kriechstrecke. Die Luftstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Komponentenkreisen durch Luft, während Kriechen der kürzeste Abstand über eine Oberfläche ist.

Die beste Art und Weise, wie sich ein Entwickler der Performance eines Isolators versichern kann, besteht darin, zu überprüfen, ob ein Isolator über VDE- und UL-Zertifizierungen (UL: Underwriters Laboratory) verfügt, und eine Kopie der tatsächlichen Zertifikate vom Hersteller des Isolators zu erhalten.

Im Fall der Baureihen NXE und NXJ2, bei denen FR4 die Isolationsbarriere zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Umrichters bildet, wurde jede Komponente eine Sekunde lang bei 3 Kilovolt Gleichstrom getestet (einige Proben werden zur weiteren Qualifikation eine Minute lang bei 3 Kilovolt Gleichstrom geprüft). Der Isolationswiderstand wird bei 10 Gigaohm (GΩ) bei einer Prüfspannung von 1 Kilovolt DC gemessen.

Die Serien NXE und NXJ2 sind gemäß UL nach ANSI/AAMI ES60601-1 anerkannt und bieten einen MOOP (Means of Operator Protection, Schutzmaßnahmen für Bedienpersonal) basierend auf einer Arbeitsspannung von maximal 250 Volt effektiv zwischen Primär- und Sekundärspule. UL erkennt auch die DC/DC-Wandler nach UL 60950 für verstärkte Isolierung bis zu einer Arbeitsspannung von 125 Volteff. an. Die Kriechstrecke für die Komponenten beträgt 2,5 mm und die Luftstrecke 2 mm.

Schaltspannungswandler sind immer mit Designherausforderungen in Bezug auf die von den Schaltelementen erzeugte Spannungs- und Stromwelligkeit verbunden. Isolierte DC/DC-Wandler sind keine Ausnahme. Ohne Ausgangsfilterschaltungen beträgt die typische Ausgangswelligkeit der NXE-DC/DC-Wandler etwa 55 Millivolt (mV) Spitze-Spitze (s-s) und steigt bis zu einem Maximum von 85 mVs-s. Die entsprechenden Zahlen für die Serie NXJ2 lauten 70 mVs-s und 170 mVs-s. Während diese Werte für viele Anwendungen akzeptabel sind, erfordern andere eine stabilere Ausgabe.

Die in Abbildung 5 dargestellte Ausgangsfilterschaltung kann zur drastischen Verringerung der Ausgangsstrom- und Spannungswelligkeit verwendet werden. Die Werte der Induktivität (L) und des Kondensators (C) variieren in Abhängigkeit von den Eingangs- und Ausgangsspannungen des Gleichspannungswandlers; aber zum Beispiel erfordert das Produkt NXE2S1205MC (12 Volt Eingang / 5 Volt Ausgang) von Murata eine Induktivität von 22 Mikrohenry (µH) und einen Kondensator von 10 Mikrofarad (µF). Die Wirkung der Ausgangsfilterschaltung besteht darin, die Ausgangsspannungs- und Stromwelligkeit auf ein Maximum von 5 mVs-s zu senken.

Um beste Ergebnisse zu erzielen, sollte der äquivalente Serienersatzwiderstand (ESR) des Kondensators so niedrig wie möglich sein, und die Nennspannung sollte mindestens das Doppelte der Nennausgangsspannung des isolierten Gleichspannungswandlers betragen. Für die Induktivität sollte der Nennstrom nicht geringer sein als der des Ausgangs des Gleichspannungswandlers. Beim Nennstrom sollte der Gleichstromwiderstand der Induktivität so bemessen sein, dass der Spannungsabfall über der Induktivität weniger als 2 Prozent der Nennspannung des Gleichspannungswandlers beträgt.

Die Serien NXE und NXJ2 können mit einer Eingangsfilterschaltung zur Dämpfung von EMI ausgestattet werden, wie in Abbildung 6 dargestellt. Auch hier variieren die Werte von L und C in Abhängigkeit von den Eingangs- und Ausgangsspannungen des DC/DC-Wandlers; aber zum Beispiel benötigt Muratas Produkt NXE2S1215MC (12 Volt Eingang/15 Volt Ausgang) eine Induktivität von 22 µH und einen Kondensator von 3,3 µF.

Die Wirkung der Filterung ermöglicht, dass die isolierten DC/DC-Wandler von Murata die Quasi-Spitzen-EMV-Grenzwerte gemäß EN 55022 Kurve B einhalten. Ein EMV-abstrahlendes Gerät muss diese Grenzwerte verbessern, um die EU-EMV-Richtlinie 2014 zu erfüllen.

Isolierte DC/DC-Wandler spielen eine wichtige Rolle, wenn Vorschriften oder Sicherheitserwägungen eine elektrische Trennung von Eingangs- und Ausgangsspannungen erfordern. Die Isolierung mit Hilfe eines Transformators kann jedoch Designkompromisse mit sich bringen - insbesondere in Bezug auf Kosten, Größe, Leistungsvariabilität und Herausforderungen bei der Montage. Ingenieure müssen sich dieser Kompromisse bewusst sein und Produkte entsprechend entwerfen. Beispielsweise fehlt bei isolierten DC/DC-Wandlern im Allgemeinen die Rückkopplungsschleife, die eine präzise Regelung nicht isolierter Produkte ermöglicht, so dass die Ausgangsspannungen mit der Last vom Sollwert stärker schwanken können als mit den letztgenannten Komponenten.

Es gibt DC/DC-Lösungen, bei denen statt eines teuren und sperrigen, platinenmontierten Transformators abwechselnd FR4- und Kupferschichten verwendet werden, um einen in das Substrat des Wandlers eingebetteten Transformator aufzubauen. Das Ergebnis ist eine kostengünstigere, kompakte Komponente, die eine bessere Wiederholbarkeit der elektrischen Performance von Bauteil zu Bauteil aufweist und von automatisierten Bestückungsmaschinen gehandhabt werden kann. Diese isolierten DC/DC-Wandler erfüllen auch die einschlägigen Normen für Hochspannungsisolation und Isolationsprüfungen.

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