Odată cu utilizarea din ce în ce mai mare a produselor electronice în aplicații industriale, de transport și medicale, proiectanții subsistemelor de alimentare trebuie să asigure performanțe ridicate în medii solicitante fizic și electric, îndeplinind în același timp și cerințe stricte de reglementare și siguranță. Totodată, aceștia trebuie să se încadreze într-un buget din ce în ce mai mic și în termenele limită programate.
Convertorul DC/DC a evoluat semnificativ de-a lungul timpului pentru a îndeplini multe dintre aceste cerințe. Pentru o economisire a spațiului, dimensiunile s-au redus pentru o densitate mai mare a puterii și se oferă domenii largi de intrare pentru a simplifica partea hardware și pentru a reduce costul facturii componentelor necesare (BOM). Alte îmbunătățiri pentru a facilita sarcina unui proiectant includ ieșiri cu zgomot redus, o reglare mai strictă a sarcinii, protecție și caracteristici de siguranță eficiente și o atenție remarcabilă către managementul termic. Cu toate acestea, așa cum proiectanții s-ar putea aștepta, nu toate convertoarele DC/DC sunt la fel, necesitând să fie selectivi în alegerile lor pentru a asigura succesul proiectării și aplicației.
Figura 1: Acest convertor DC/DC este izolat, caracteristică indicată de transformatorul amplasat între zonele de intrare și de ieșire. (Sursă imagine: XP Power)
Acest articol va aborda convertoare DC/DC de la Bellnix, HVM Technology, Murata Power Solutions, Vicor și XP Power, care sunt compacte, asigură un riplu redus și dispun de tensiuni cu ieșire simplă și duală. De asemenea, se vor evidenția caracteristicile și îmbunătățirile convertoarelor, precum și modul în care acestea pot ajuta proiectanții să sporească capacitățile de reglare a puterii, să reducă zgomotul, să asigure auto-protecție și să asigure un management termic mai bun.
Cum funcționează convertoarele DC/DC
După cum sugerează și numele, un convertor DC/DC primește o tensiune de intrare de la o sursă DC și o convertește într-o tensiune de ieșire tot de tip DC. Ieșirea poate fi mai mică (convertor coborâtor de tensiune – buck convertor) sau mai mare decât tensiunea de intrare (convertor ridicător de tensiune – boost convertor). Convertoarele DC/DC sunt fie izolate, fie neizolate. Un convertor DC/DC izolat folosește un transformator pentru a separa circuitul DC dintre intrare și ieșire (Figura 1).
În opoziție, convertoarele DC/DC neizolate, utilizate adesea atunci când modificarea tensiunii este mică, prezintă o conexiune între circuitul DC de intrare și ieșire.
Aspecte cheie pentru proiectare și performanță
Caracteristicile cheie de performanță ale convertoarelor DC/DC includ randamentul, curentul nominal, riplul, stabilizarea tensiunii, răspunsul tranzitoriu, tensiunea nominală, dimensiunea și greutatea. Pentru mai multe detalii, consultați „Introduction to DC/DC converters” (https://www.digikey.co.uk/en/maker/blogs/introduction-to-dc-dc-converters). Pe lângă cele anterior menționate, proiectanții trebuie să aibă în vedere capabilitatea unui convertor de a suporta o gamă largă de tensiuni nominale de intrare. Pornind de la ideea că este apt să furnizeze valorile de tensiune și curent de ieșire necesare pentru sarcinile preconizate, acest lucru permite unui convertor să fie utilizat în mai multe aplicații – prin urmare eficientizarea stocului și a logisticii.
În funcție de aplicație și de natura sursei de alimentare, asigurarea protecției împotriva supratensiunii, a subtensiunii, a polarității inverse, a scurtcircuitului și a condițiilor de supra-temperatură este, de asemenea, crucială. Pe de altă parte, o bună compatibilitate electromagnetică (EMC) și conformitatea cu interferența electromagnetică (EMI) sunt o necesitate. Acest lucru este deosebit de important, având în vedere că sursele în comutație utilizate în convertoarele DC/DC pot introduce zgomot direct în sarcină și pot emite zgomot RF, care poate afecta stabilitatea și precizia circuitelor din apropiere.
Figura 2: Convertorul ultra-compact OHV12-1.0K500P de la Bellnix măsoară 44 mm × 16 mm × 30 mm și produce 1000V la 1.5 mA. (Sursă imagine: Bellnix)
Nu în ultimul rând, proiectanții ar trebui să acorde atenție și caracteristicilor termice ale convertorului, din punctul de vedere al proiectării aplicației și al condițiilor de operare, astfel încât să poată fi aplicate metode adecvate de management termic și de ventilație, după cum este necesar.
În cazul convertoarelor DC/DC, mai mic este mai bine
Numeroase aplicații necesită convertoare DC/DC cu factori de formă reduși pentru a economisi spațiu și a simplifica instalarea. Pentru astfel de aplicații, Bellnix a proiectat seria OHV de convertoare de tensiune medie/înaltă de 1.5W DC/DC, special pentru a reduce suprafața necesară de montare cu aproape 60%, comparativ cu modulele disponibile în momentul dezvoltării soluției. Un dispozitiv de test este OHV12-1.0K1500P, un sistem compact (SiP – System-in-Package), care măsoară 44 mm × 16 mm × 30 mm și care produce 1000 volți la 1.5 miliamperi (mA) (Figura 2). De asemenea, Bellnix a proiectat această serie pentru a reduce riplul până la 5 milivolți (mV) vârf-la-vârf (P-P).
Seria operează cu o tensiune de intrare de la 11 la 13 volți la 0.28 amperi (A). Utilizând această intrare poate produce între zero și ±1000 volți (0 la 1.5 mA), 1500 volți (0 la 1.0 mA) și 2000 volți (0 la 0.7 mA), în funcție de model.
Riplul redus al dispozitivelor de numai 5 mV P-P este important pentru aplicații precum instrumentația, unde orice instabilitate de la sursa de alimentare de înaltă tensiune poate induce zgomot și poate afecta precizia echipamentului. Bellnix a dezvoltat propria sa tehnologie de circuit pentru a menține zgomotul la minimum și, în timp ce dispozitivele pot funcționa independent – fără componente externe necesare – proiectanții pot adăuga și alte piese pentru a reduce și mai mult zgomotul micșorând, de asemenea, și impedanța de intrare (Figura 3).
Figura 3: Pentru a reduce impedanța de intrare cauzată de lungimea traseului dintre alimentare și convertor, proiectanții pot adăuga condensatorul C1 pe zona terminalelor. Pentru a reduce și mai mult zgomotul, C2 poate fi adăugat în paralel cu sarcina. (Sursă imagine: Bellnix)
De exemplu, pentru a reduce impedanța de intrare cauzată de distanța mare între convertor și sursa de alimentare, condensatorul C1 poate fi adăugat pe intrare. Acest condensator trebuie plasat pe zona terminalelor convertorului pentru a reduce inductanța. Pentru a reduce zgomotul, un condensator (C2) poate fi amplasat cu atenție în apropierea sarcinii, astfel încât să aibă trasee de intrare-ieșire minime, cu o atenție specială la distanțele în plan și în spațiu față de alți conductori.
Toate dispozitivele din serie au protecție încorporată la scurtcircuit și la supracurent și sporesc și mai mult fiabilitatea sursei de alimentare cu ajutorul unei carcase metalice cu cinci fețe care utilizează ecranare suplimentară pentru a proteja dispozitivul împotriva căldurii și temperaturii excesive. Tensiunea de ieșire din seria OHV poate fi controlată de la 0 V la 2000 V printr-o tensiune externă sau un rezistor extern variabil.
Pentru proiectanții de dispozitive alimentate cu baterii, seria nHV de la HVM Technology oferă o ieșire de precizie cu o putere stabilizată de 100 de miliwați (mW), la tensiuni de până la 1 kilovolt (kV), într-o capsulă de 11.4 mm × 8.9 mm și o înălțime de 9.4 mm. Mai precis, stabilitatea ieșirii este < 0.2% (tipic) de la mers în gol la sarcină maximă.
Seria nHV are o intrare de 5 volți (4.5 volți ±0,5 volți). În funcție de model, tensiunea de ieșire variază între -1200 volți (NHV0512N) și 1200 volți (NHV0512) la 83 microamperi (µA), până la -100 volți (NHV0501N) și 100 volți (NHV0501) la 1 mA.
Figura 4: Convertoarele DC/DC din seria DTJ15 și DTJ20 sunt optimizate pentru dimensiuni reduse, pot fi instalate cu ușurință utilizând o șină DIN și au o gamă largă de tensiuni de intrare. (Sursă imagine: XP Power)
Această serie utilizează o intrare de programare cu impedanță ridicată (100 kilohmi (kΩ)) pentru a facilita instalarea dispozitivelor și pentru a elimina necesitatea unei surse de alimentare reglabile, cu impedanță scăzută. Tensiunea de ieșire este independentă de tensiunea de intrare, dar este în schimb proporțională cu tensiunea de programare pentru a asigura o liniaritate robustă.
Domeniu larg de intrări
Precum seria nHV, seriile DTJ15 și DTJ20 de convertoare DC/DC de 15 și 20 de wați de la XP Power sunt, de asemenea, miniaturizate pentru o instalare ușoară și funcționare eficientă din punct de vedere energetic, plus un beneficiu suplimentar: pot fi instalate pe carcasă sau pe o șină DIN și conectate cu ajutorul unor conectori cu șurub (Figura 4).
Pe lângă instalarea ușoară, ceea ce este important la aceste convertoare, mai există și abilitatea lor de a acoperi o gamă largă de tensiuni DC de intrare, de la 9 la 36 volți și de la 18 la 75 volți. Beneficiind de o varietate de posibile surse de intrare, precum acumulatoare/baterii sau sursele de alimentare ale vehiculelor, aceste convertoare pot să deservească o gamă largă de aplicații industriale, comerciale și de comunicații.
Împreună, controlerele DC/DC din serile DTJ15 și DTJ20 însumează un total de 14 modele de dispozitive cu o singură ieșire ce furnizează tensiuni de 3.3 volți, 5.0 volți, 12.0 volți și 15.0 volți și cu ieșire dublă, care furnizează ± 5.0 volți, ± 12.0 volți și ± 15.0 volți (Figura 5).
Figura 5: Convertoarele DC/DC din seria DTJ15 și DTJ20 se remarcă prin gama largă de tensiuni de intrare și de ieșire, acestea din urmă însumând un total de 14 variante. Imaginea arată ieșirea pentru convertorul DTJ15 de 15 wați. (Sursă imagine: XP Power) NOTE: 1. Curentul de intrare este măsurat la tensiunea nominală de intrare. 2. Valori tipice 3. Pentru versiuni opționale dotate cu clips de montare pe șină DIN, adăugați sufixul ‘D’ ex. DXJ1524812-D 4. Pentru montajul radiatorului din fabrică adăugați sufixul ‘-HK’ ex. DXJ1524812-HK sau DXJ1524812-HKD montaj pe șină DIN 5. Curentul la intrare are o valoare tipică de 2mA la tensiunea nominală de intrare atunci când ieșirea este oprită de la distanță 6. Pe ieșire
Funcția de Oprit/Pornit de la distanță permite controlul convertoarelor DC/DC prin software, fapt care ajută la controlul consumului total de energie și permite instalațiilor controlate de la distanță să funcționeze eficient.
O altă caracteristică importantă a convertoarelor DC/DC din seria DTJ15 și DTJ20 este pornirea în rampă (Soft Start), care crește gradual tensiunea de ieșire prin modularea referinței interne a amplificatorului de eroare. Acest lucru face ca tensiunea de ieșire să fie aproximată de o rampă liniară a cărei variație se oprește atunci când tensiunea atinge tensiunea nominală de ieșire. Alte caracteristici de protecție oferite de controlerele din seria DTJ15 și DTJ20 includ protecție la scurtcircuit și protecție la polaritate inversă la intrare.
Portofoliu cu caracteristici de protecție
Proiectarea sistemelor de alimentare pentru aplicații feroviare, industriale și de transport necesită timpi rapizi de stabilizare la semnale treaptă ale sarcinilor tranzitorii. Alte evenimente tranzitorii, cum ar fi oscilațiile tensiunii de intrare și de ieșire, impun necesitatea unor caracteristici de auto-protecție pentru funcționarea sigură și fiabilă a convertoarelor DC/DC.
În cazul limitării de curent, situație denumită și limitarea puterii, imediat ce curentul de ieșire crește la aproximativ 130% din valoarea sa nominală, convertorul DC/DC va intra într-un mod de limitare a curentului. Ca urmare, tensiunea de ieșire va începe să scadă proporțional pentru a menține o disipare a puterii oarecum constantă.
Figura 6: Convertoarele din seria IRE-Q12 trec prin teste ample pentru a se asigura că pot rezista condițiilor de mediu dure întâlnite în mod obișnuit în aplicațiile feroviare și industriale. (Sursă imagine: Murata)
Dacă din cauza condițiilor de mediu se determină creșterea temperaturii convertorului DC/DC peste temperatura de funcționare proiectată, un senzor precis de temperatură va opri unitatea. Odată ce temperatura internă, măsurată de senzorul de temperatură, scade sub pragul maxim, convertorul DC/DC va porni automat.
Seria IRE-Q12 de convertoare DC/DC izolate de la Murata prezintă caracteristici de auto-protecție, pentru a se asigura că nu există efecte adverse din cauza sarcinilor capacitive mari (Figura 6). De exemplu, IRE-12/10-Q12PF-C încorporează toate caracteristicile relevante de auto-protecție, îndeplinind în același timp cerințele EN50155 pentru facilitarea tensiunilor nominale ale bateriilor în condiții tranzitorii și de întrerupere.
Convertoarele din seria IRE-Q12 furnizează o singură ieșire izolată de 120 wați, cu un interval al tensiunilor de intrare de la 9 la 36 volți într-o capsulă și o amprentă de o optime de cărămidă standard. De asemenea, oferă două opțiuni pentru cablajul de bază, una pentru un consum minim de spațiu pe placă, cealaltă cu o flanșă cu fante pentru fixarea mecanică la un radiator.
Figura 7: Topologia DC-ZVS permite convertoarelor DCM2322 să obțină un randament de până la 93%. (Sursă imagine: Vicor)
Ieșirea acestor convertoare DC/DC poate fi tăiată cu ±10% pentru a asigura timpi rapizi de stabilizare la semnale treaptă ale sarcinilor tranzitorii. În plus, toate convertoarele sunt testate și definite pentru curent de riplu reflectat de intrare, curent de riplu terminal de intrare și zgomot de ieșire.
Moduri de alimentare independente și matriciale
DCM2322 de la Vicor este o serie de convertoare DC/DC izolate ce funcționează cu intrări DC neregulate, care pot varia de la 9 la 50 volți pentru a genera o ieșire izolată de 28 volți (Figura 7). Se bazează pe topologia de comutație la tensiune nulă DC-ZVS a companiei, care ajută convertorul să ofere un randament ridicat de 93% pe tot domeniul tensiunilor de intrare.
Convertoarele DC/DC (DCM), precum DCM2322T50T3160T60, valorifică beneficiile termice și de densitate ale tehnologiei de capsulare ChiP de la Vicor, care distribuie căldura generată intern în mod uniform pe suprafața capsulei. De asemenea, tehnologia ChiP permite convertoarelor DCM să ofere opțiuni flexibile de management termic, cu impedanțe termice foarte scăzute pe partea superioară și inferioară a convertorului.
Distribuția termică eficientă permite unităților DCM să ofere conectivitate de la o varietate de surse de energie nestabilizate la punctul de sarcină. Aceste convertoare oferă atât protecție împotriva problemelor de supratensiune de la intrare, cât și la ieșire, precum și alte mecanisme de management a defecțiunilor, care opresc convertoarele atunci când este detectată o problemă (Figura 8).
Figura 8: Convertoarele DCM facilitează capabilitățile de monitorizare a defecțiunilor, precum și caracteristicile de siguranță, care includ limitarea curentului și controlul pornirii în rampă (soft start). (Sursă imagine: Vicor)
Aceste caracteristici permit convertoarelor DCM să furnizeze o tensiune stabilizată de ieșire în jurul coeficienților liniei de sarcină nominale și ai celor de temperatură. Dacă temperatura internă a convertorului depășește limita sa, se înregistrează o eroare de temperatură și sursa încetează imediat comutația. Convertorul așteaptă ca temperatura internă să revină la pragul funcțional și apoi repornește.
Mai mult, aceste convertoare DC/DC dispun de filtrare EMI integrată, reglare precisă a tensiunii de ieșire și o interfață secundară de control a referinței, păstrând în același timp beneficiile fundamentale de proiectare ale arhitecturii convenționale de tip cărămidă (brick).
În aplicațiile care necesită mai multă energie decât poate furniza un singur convertor DC/DC, cum ar fi centrele de date și echipamentele de telecomunicații, mai multe dispozitive pot fi utilizate în paralel. Mai multe convertoare DCM pot fi montate în paralel într-o structură de tip matrice, pentru o capacitate mai mare a puterii prin partajarea sarcinii, chiar și atunci când acestea operează având aplicate pe intrări tensiuni diferite. Vicor dispune de configurații matriciale calificate de până la opt convertoare DC/DC pentru o putere de 480 wați.
Concluzii
Pentru ca proiectanții de surse de alimentare să asigure suport sistemelor electronice pentru aplicații industriale, medicale, de transport și instrumentație, există multe costuri și o complexitate ridicată, plecând de la necesitatea unor game largi de tensiuni de intrare, până la managementul termic și partajarea sarcinii. Cu toate acestea, așa cum s-a arătat, convertoarele DC/DC au evoluat către surse de alimentare autonome din ce în ce mai mici, ușor de instalat, care elimină multe dintre aceste complexități.
Totuși, pentru proiectanții care caută performanțe mai ridicate, se pot adăuga și componente suplimentare. De asemenea, acolo unde este necesară mai multă flexibilitate, funcțiile de control și de programare de la distanță sunt din ce în ce mai la îndemână pentru a efectua compensarea impedanței și pentru a facilita o varietate de caracteristici de protecție, astfel încât să evite întreruperea alimentării, să răspundă condițiilor tranzitorii și să reducă consumul total de energie al sistemului.
Lectură suplimentară: Introduction to DC/DC converters (Introducere in convertoarele DC/DC)
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platformele TechForum și https://maker.io ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere.
Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
