Przetwornice DC-DC do aplikacji przemysłowych i nie tylko
| TechnikaWraz ze wzrostem wykorzystania urządzeń elektronicznych w przemyśle, transporcie oraz medycynie projektanci systemów zasilania muszą zapewnić wysoką wydajność w trudnych warunkach środowiskowych, jednocześnie spełniając rygorystyczne wymagania norm branżowych i bezpieczeństwa. Poza tym jak zawsze liczy się cena rozwiązania oraz czas niezbędny do jego realizacji.
Przetwornice DC/DC to znane od lat produkty, które stale ewoluują w zakresie parametrów i funkcjonalności, aby spełnić wiele z obecnych wymagań. Ich wymiary są coraz mniejsze, aby uzyskać większą gęstość mocy, zaoszczędzić miejsce. Coraz szerszy zakres dopuszczalnych napięć wejściowych ułatwia integrację w aplikacji docelowej, a małe szumy i tętnienia, dobra stabilizacja napięcia i funkcje bezpieczeństwa zapewniają sukces w wielu projektach.
W artykule omówiono konwertery DC/DC firm Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor i XP Power. Są to kompaktowe jednostki o małych tętnieniach i szumach, jedno- i dwuwyjściowe. Poruszane zagadnienia mają na celu wyjaśnienie funkcjonalności i metod aplikacji zapewniających jak najlepsze parametry elektryczne i cieplne.
Jak działają przetwornice DC/DC?
Jak wskazuje nazwa, przetwornica DC/DC dokonuje konwersji energii w domenie prądu stałego, a więc zmienia poziom napięcia. Wartość wyjściowa może być niższa (przetwornica obniżająca, buck) lub wyższa (przetwornica podwyższająca, boost) niż napięcie wejściowe. Przetwornice DC/DC mogą być izolowane lub nieizolowane. Izolowane wykorzystują transformator do separacji galwanicznej wejścia i wyjścia (rys. 1).
Natomiast nieizolowane przetwornice DC/DC są często stosowane, gdy stopień zmiany napięcia jest niewielki i nie ma potrzeby zapewnienia dodatkowej separacji obwodów lub rozdzielania masy.
Kluczowe zagadnienia
Kluczowe cechy użytkowe konwerterów DC/DC obejmują sprawność, znamionowy prąd wyjściowy, napięcie tętnień i szumów, współczynnik stabilizacji, odpowiedź przejściową, napięcie znamionowe, rozmiar i wagę. Projektanci muszą także wziąć pod uwagę zdolność konwertera pracy w szerokim zakresie napięć wejściowych. Dzięki temu jeden konwerter może być aplikowany w wielu rozwiązaniach, zmniejszając wymagane zapasy magazynowe i zapewniając łatwość integracji w dużych systemach zasilania.
W zależności od zastosowania, istotne znaczenie ma również odporność na przepięcia i zapady napięciowe, odwrotną polaryzację, zwarcie i nadmierną temperaturę. Podobnie niezbędna jest emisja zaburzeń elektromagnetycznych. Jest to szczególnie ważne, bo impulsowa zasada działania sprzyja emisji RF, który może mieć wpływ na stabilność i działanie pobliskich obwodów. Konieczne jest ponadto dokładne sprawdzenie warunków termicznych pracy konwertera, aby w razie potrzeby można było zastosować odpowiednią wentylację i inne techniki zarządzania ciepłem.
Im mniejszy, tym lepszy
W niektórych zastosowaniach, gdzie miejsca na płytce drukowanej nie ma wiele, niezbędne są miniaturowe przetwornice DC/DC. Do takich zastosowań firma Bellnix zaprojektowała serię 1,5-watowych konwerterów OHV o wysokim napięciu wyjściowym, które zajmują prawie 60% mniej miejsca w porównaniu z konkurencyjnymi jednostkami. Przykładowy element OHV12-1.0K1500P to rozwiązanie typu SiP o wymiarach 44×16×30 mm i dostarcza na wyjściu 1000 V przy prądzie znamionowym 1,5 mA (rys. 2). Poziom szumów i tętnień dla tego rozwiązania wynosi zaledwie 5 mVpp.
Jednostki te działają przy napięciu wejściowym 11–13 V, pobierając 0,28 A. Dostępne pozostałe modele pracują z napięciem wyjściowym regulowanym 0… ±1000 V (0 do 1,5 mA), 1500 V (0 do 1,0 mA) i 2000 V (0 do 0,7 mA).
Niski poziom tętnień i szumów wynoszący 5 mVpp jest istotny w aparaturze pomiarowej, gdzie jakakolwiek niestabilność zasilania może powodować zakłócenia odczytu wpływające na dokładność. Mimo że tętnienia są bardzo małe i nie trzeba dodawać żadnych komponentów zewnętrznych, istnieje możliwość dalszej redukcji poziomu oraz obniżenia impedancji wejściowej, gdyby wymagania aplikacyjne były jeszcze bardziej wyśrubowane (rys. 3).
Aby zmniejszyć impedancję wejściową wynikającą ze zwiększonej odległości przetwornicy od źródła zasilania, można na zaciskach wejściowych dodać kondensator C1. Z kolei, aby zredukować poziom szumów i zakłóceń, warto dodać kondensator C2 na wyjściu.
Wszystkie przetwornice z tej serii mają wbudowane zabezpieczenia przeciwzwarciowe i nadprądowe, a dodatkowo metalowa obudowa zapewnia dodatkowe ekranowanie i poprawia chłodzenie. Napięcie wyjściowe serii OHV można regulować w zakresie od 0 aż do 2000 V za pomocą sygnału napięciowego zewnętrznego lub przy użyciu potencjometru.
Do urządzeń zasilanych z baterii nadaje się rodzina przetwornic DC-DC nHV firmy HVM Technology. Mają one moc wyjściową 100 mW przy napięciu wyjściowym do 1 kV. Są produkowane w obudowie o wymiarach 11,4×8,9 mm i o wysokości 9,4 mm. Współczynnik stabilizacji wynosi < 0,2% (typowo) w zakresie od zera do obciążenia znamionowego. Takie konwertery zasilają najczęściej sensory pomiarowe, np. detektory cząstek.
Jednostki nHV na wejściu wymagają napięcia 5 V (4,5 V ±0,5 V). W zależności od wersji można uzyskać z ich użyciem napięcie wyjściowe od –1200 V (NHV0512N) do 1200 V (NHV0512) przy prądzie 83 μA. Są także wersje o napięciu wyjściowym od –100 V (NHV0501N) i +100 V (NHV0501) przy obciążeniu 1 mA.
Ta rodzina przetwornic ma wysokoimpedancyjne wejście regulujące napięcie wyjściowe (100 kΩ), co ułatwia ich aplikację i eliminuje potrzebę stosowania regulowanego napięcia źródła zasilania o niskiej impedancji (dla regulacji poprzez zmianę napięcia zasilania). Napięcie wyjściowe jest niezależne od napięcia wejściowego i jest proporcjonalne do napięcia na wejściu regulującym.
Szeroki zakres napięcia wejściowego
Podobnie jak w serii nHV, konwertery DC/DC DTJ15 (15 W) i DTJ20 (20 W) firmy XP Power również mają małe wymiary, ale dodatkowo można je zamontować w obudowie lub umieścić na szynie DIN i podłączyć z użyciem złączy śrubowych (rys. 4).
Istotną cechą tych rozwiązań jest ponadto zdolność do pracy w szerokim zakresie napięć wejściowych, od 9 do 36 V i od 18 do 75 V. Pozwala to na współpracę z różnymi typami akumulatorów i typami sieci pojazdowej, zapewniając możliwość szerokiego zastosowania w przemyśle i sprzęcie telekomunikacyjnym.
Łącznie seria obejmuje 14 wariantów przetwornic 1-wyjściowych o napięciach 3,3 V, 5,0 V, 12,0 V i 15,0 V oraz 2-wyjściowych z wyjściem symetrycznym ±5,0 V, ±12,0 V i ±15,0 V (rys. 5).
Funkcja zdalnego włączania/wyłączania umożliwia sterowanie przetwornicami DC/DC za pomocą oprogramowania, co pomaga kontrolować całkowite zużycie energii poprzez wyłączanie niepotrzebnych bloków. Kolejną ważną cechą jest miękki start, który zwiększa płynnie napięcie wyjściowe i ogranicza wartość prądu rozruchu. Funkcje zabezpieczające obejmują także ochronę przed zwarciem i przed odwrotną polaryzacją napięcia na wejściu.
Zabezpieczenia
W systemach kolejowych, przemysłowych i transportowych wymagane są krótkie czasy stabilizacji napięć, duża dynamika reakcji na skokową zmianę stopnia obciążenia i odporność na stany przejściowe, takie jak oscylacje. Układ zabezpieczenia nadprądowego chroni konwerter przed uszkodzeniem. Gdy prąd wyjściowy przekroczy 130%, stabilizacja napięcia zamienia się w tryb ograniczania prądu. W rezultacie napięcie wyjściowe zaczyna proporcjonalnie maleć, aby utrzymać w miarę stałą moc wyjściową. Jeśli temperatura wewnątrz obudowy konwertera wzrośnie powyżej granicznej, zawarty w układzie czujnik temperatury wyłączy urządzenie.
Rodzina izolowanych przetwornic DC/DC firmy Murata IRE-Q12 jest wyposażona w funkcje zabezpieczeń, które zapewniają, że nawet duże obciążenie pojemnościowe nie wpływa na działanie (rys. 6). IRE-12/10-Q12PF-C spełnia jednocześnie wymagania normy EN50155 dotyczące zapewnienia nominalnego napięcia podczas chwilowego zaniku napięcia wejściowego i w czasie stanów przejściowych.
Seria IRE-Q12 ma jedno izolowane wyjście i moc wyjściową 120 W. Pracuje w zakresie napięcia wejściowego od 9 do 36 V w standardowej obudowie typu eighth-brick. Montaż przewiduje dwie opcje montażu do płyty bazowej, jedną zapewniającą minimalną zajętość miejsca, a drugą z kołnierzem do montażu na radiatorze. Napięcie wyjściowe można trymować w zakresie ±10%, aby zapewnić krótkie czasy stabilizacji w przypadku skokowych zmian obciążenia.
Zasilanie autonomiczne i macierzowe
DCM2322 firmy Vicor to oznaczenie serii izolowanych przetwornic DC/DC, przekształcających napięcie z zakresu 9 do 50 V na napięcie wyjściowe 28 V (rys. 7). Konstrukcja wykorzystuje topologię przełączania w zerze napięcia, która zapewnia dużą sprawność wynoszącą 93% w pełnym zakresie napięcia wejściowego.
Modułowe konwertery DC/DC, takie jak DCM2322T50T3160T60, mają małe wymiary i wysoką gęstość mocy zapewnianą przez technologię obudów ChiP firmy Vicor, która umożliwia równomierne rozprowadzanie ciepła i małą impedancję termiczną z radiatorem.
Efektywna dystrybucja ciepła umożliwia użycie przetwornic DCM z wieloma typami źródeł energii w systemach zasilania PoL. Producent gwarantuje skuteczną ochronę przed przepięciami na wejściu i wyjściu, w układzie zintegrowano ponadto dodatkowe mechanizmy wykrywania usterek, które wyłączają przetwornice w przypadku uszkodzenia (rys. 8).
Cechy te zapewniają stabilizowane napięcie wyjściowego dla określonego nominalnego obciążenia i temperatury. Jeśli temperatura wewnętrzna konwertera wzrośnie ponad próg, stopień mocy jest wyłączany aż do czasu ostygnięcia. Warto wspomnieć o wbudowanym filtrze przeciwzakłóceniowym oraz interfejsie sterującym gwarantującym dużą funkcjonalność.
Gdy potrzebna jest większa moc wyjściowa w odniesieniu do tego co może dostarczyć pojedynczy konwerter, można połączyć kilka jednostek równolegle. Wiele konwerterów DCM można połączyć równolegle w trybie macierzowym, aby uzyskać większą moc poprzez podział mocy, nawet jeśli korzystają z różnych źródeł napięcia wejściowego. Vicor oferuje takie macierze składające się z maksymalnie ośmiu przetwornic DC/DC o mocy 480 W.
Podsumowanie
Przetwornice DC-DC mają znakomitą funkcjonalność i ich parametry spełniają wymagania systemów elektronicznych w zastosowaniach przemysłowych, medycznych, transportowych. Małe wymiary i duża moc wyjściowa oraz rozbudowane funkcje i zabezpieczenia gwarantują niezawodność a sprawność przekraczająca już wyraźnie 90% odpowiada za niewielką emisję ciepła.
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
