Stosowanie izolowanych przetwornic prądu stałego z wbudowanymi transformatorami w celu ułatwienia montażu

W poszukiwaniu oszczędności kosztów i miejsca, monolityczne przetwornice prądu stałego stanowią dobre rozwiązanie w wielu zastosowaniach wielkoseryjnych, jednakże nie można ich wykorzystywać w projektach wymagających elektrycznego odizolowania wejścia zasilania od wyjścia. Dobrym przykładem są tu urządzenia medyczne. Na ogół zamiast nich można użyć izolowanych zasilaczy montowanych na płytce, jednakże w ich przypadku w celu zapewnienia wymaganej izolacji elektrycznej konieczny jest transformator, co prowadzi do obniżenia sprawności oraz zwiększenia kosztów, wymiarów i ciężaru rozwiązania. Zastosowanie transformatora wprowadza też zmienność w działaniu przetwornicy prądu stałego i utrudnia prowadzenie zautomatyzowanego wielkoseryjnego montażu.

Wychodząc naprzeciw wielu spośród tych wyzwań, projektanci mogą szukać rozwiązania problemu w zastosowaniu modułów izolowanych przetwornic prądu stałego, w których transformator został wbudowany w podłoże przetwornicy.

Niniejszy artykuł wyjaśnia, jakie okoliczności wymagają zastosowania izolowanych przetwornic prądu stałego. Następnie zostaną zaprezentowane przykładowe rozwiązania opracowane przez firmę Murata Electronics, demonstrujące możliwość zastosowania przetwornic zapewniających izolację i jednocześnie pozwalających uniknąć większych kompromisów projektowych, na ogół wiążących się z izolowanymi przetwornicami prądu stałego wykorzystującymi transformatory. Artykuł ponadto opisuje, w jaki sposób zestaw przetwornicy odpowiada wymogom zaawansowanego zautomatyzowanego montażu powierzchniowego oraz wskazuje, jak projektować izolowane przetwornice prądu stałego w wyrobach, aby uzyskać minimalne tętnienia napięcia i prądu oraz ograniczyć zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Kiedy należy stosować przetwornice izolowane

W konwencjonalnej przetwornicy prądu stałego pojedynczy obwód regulatora pozwala na bezpośredni przepływ prądu z wejścia do wyjścia. Powala to na ograniczenie złożoności układu, jego wymiarów i ceny. Niemniej jednak istnieje sporo zastosowań wymagających izolacji galwanicznej (dalej zwanej w uproszczeniu „izolacją”) w celu elektrycznego oddzielenia strony wejściowej od strony wyjściowej urządzenia. Przykładowo wymogi bezpieczeństwa mogą nakazywać zastosowanie izolowanej przetwornicy prądu stałego wykorzystującej transformator (lub w niektórych przypadkach sprzężone cewki indukcyjne) do przenoszenia napięcia i prądu przez szczelinę pomiędzy stronami wejścia i wyjścia, zwłaszcza jeśli strona wejścia podłączona jest do napięć o wartościach niebezpiecznych dla człowieka. Izolowane przetwornice prądu stałego są również przydatne do przerywania pętli uziemienia, oddzielając tym samym części obwodu podatne na zakłócenia od źródeł tych zakłóceń (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podstawowa nieizolowana przetwornica prądu stałego (u góry) w porównaniu z wersją izolowaną (u dołu) wykorzystującą transformator w celu uzyskania izolacji galwanicznej. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Kolejną cechą izolowanej przetwornicy prądu stałego jest wyjście pływające (nieuziemione). Mimo że takie przetwornice faktycznie zapewniają stałe napięcie pomiędzy końcówkami wyjściowymi, nie wykazują się określonym ani stałym napięciem w stosunku do poziomów napięcia w obwodach, od których zostały one odizolowane (tj. są one „pływające”). W celu ustalenia napięcia można skorzystać z opcji połączenia wyjścia pływającego izolowanej przetwornicy prądu stałego z węzłem obwodu po stronie wyjścia, co pozwoli na przesunięcie lub odwrócenie wyjścia względem innego punktu usytuowanego w obwodzie po stronie wyjścia. Z uwagi na rozdzielenie obwodów wejścia i wyjścia, projektant musi upewnić się, że obydwa obwody posiadają własne uziemienia referencyjne.

W arkuszu danych danej przetwornicy prądu stałego zazwyczaj podaje się jej napięcie izolacyjne - maksymalną wartość, która może występować przez określony (krótki) czas bez przejścia prądu przez szczelinę. Ponadto w arkuszu danych określa się maksymalne napięcie robocze, które można nieprzerwanie utrzymywać bez przebicia izolacji.

Zastosowanie izolacji wiąże się z pewnymi kompromisami. Po pierwsze, izolowane przetwornice są na ogół droższe, ponieważ (zazwyczaj niestandardowe) transformatory mają wyższe ceny niż ich odpowiedniki w postaci (ogólnodostępnych) cewek indukcyjnych stosowanych w wersji nieizolowanej. Im wyższa izolacja jest potrzebna, tym wyższy jest koszt.

Po drugie, izolowane przetwornice prądu stałego są na ogół większe niż ich nieizolowane wersje. Transformator jest zazwyczaj większy niż odpowiadająca mu cewka indukcyjna, a cewka indukcyjna zazwyczaj działa na wyższych częstotliwościach przełączania, co jeszcze bardziej zmniejsza jej wymiary w porównaniu z transformatorem.

Po trzecie, sprawność, regulacja i powtarzalność działania w odniesieniu do poszczególnych komponentów izolowanych przetwornic prądu stałego są zazwyczaj gorsze w porównaniu z przetwornicami nieizolowanymi. W porównaniu z cewką indukcyjną, transformator powoduje pewien spadek sprawności, a bariera izolacyjna uniemożliwia bezpośrednie wykrycie wyjścia oraz ścisłą kontrolę w kontekście lepszej regulacji i stanu nieustalonego. Ze względu na mniejszy rozmiar, nieizolowane przetwornice prądu stałego można umieszczać w pobliżu odbiornika w celu ograniczenia efektu linii przesyłowej i dalszego podniesienia sprawności. Ponieważ transformatory w przetwornicach izolowanych są zazwyczaj niestandardowymi urządzeniami produkowanymi na zamówienie, takie urządzenia dodatkowo nie są w stanie zapewnić identycznej mocy wyjściowej.

Transformator taki może także stanowić problem dla wydajności procesu montażu wielkoseryjnego. Cechy izolowanej przetwornicy prądu stałego z transformatorem sprawiają, że nie nadaje się ona do celów zautomatyzowanego montażu, co oznacza konieczność ręcznego instalowania jej na płytce drukowanej (PCB).

Dobór izolowanych przetwornic prądu stałego

Jeśli dane zastosowanie wymaga izolacji ze względów bezpieczeństwa lub innych, wtedy należy uwzględnić wyżej opisane ograniczenia. Staranny przegląd dostępnych komponentów może pozwolić na odkrycie nowszych rozwiązań zaprojektowanych w celu zminimalizowania wpływu ograniczeń projektowych.

Na przykład firma Murata wprowadziła niedawno izolowane przetwornice prądu stałego serii NXE (ilustracja 2) oraz NXJ2. Wychodzą one naprzeciw niektórym znanym od lat wyzwaniom związanym z izolowanymi przetwornicami prądu stałego.

Ilustracja 2: izolowane przetwornice prądu stałego serii NXJ2 i NXE firmy Murata (na ilustracji) obejmują transformator wbudowany w podłoże komponentów, co pozwala zmniejszyć wymiary produktu. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Seria NXE dostarcza maksymalnie 2W mocy i dostępna jest w wersjach z napięciem wejściowym 5V i 12V oraz napięciem wyjściowym 5V, 12V i 15V. Prąd wejściowy i wyjściowy różni się w zależności od napięcia i kształtuje się w zakresie od 542mA na wejściu i 400mA na wyjściu w przypadku urządzenia 5/5V, aż do 205/133mA w przypadku urządzenia 12/15V. Asortyment produktów obejmuje częstotliwości przełączania od 100 do 130kHz w zależności od modelu.

Analogicznie, seria NXJ2 dostarcza 2W mocy i dostępna jest w wersjach z napięciem wejściowym 5V, 12V i 24V oraz napięciem wyjściowym 5V, 12V i 15V. Prąd wejściowy i wyjściowy kształtuje się w zakresie od 550mA na wejściu i 400mA na wyjściu w przypadku urządzenia 5/5V, aż do 105/133mA w przypadku urządzenia 24/15V. Produkty charakteryzują się częstotliwościami przełączania od 95 do 140kHz.

Izolowane przetwornice prądu stałego firmy Murata wychodzą naprzeciw wyzwaniom produkcji zautomatyzowanej dzięki transformatorowi wbudowanemu w podłoże urządzenia. Transformator wykonany jest z naprzemiennych warstw FR4 - laminatu epoksydowo-szklanego często stosowanego jako podłoże płytek drukowanych (PCB) - oraz miedzi tworzącej uzwojenia wokół wbudowanego rdzenia. Zgodnie z zapewnieniami, tak wbudowana konstrukcja transformatora sprzyja rozpraszaniu ciepła i poprawia powtarzalność działania poszczególnych komponentów.

W rezultacie otrzymujemy zestawy o niskim profilu (poniżej 4,5mm), kompaktową obudowę (15,9mm x 11,5mm w przypadku wersji 5V i 12V oraz 16mm x 14,5mm dla wersji 24V), nadającą się do podawania za pomocą taśmy i szpuli, współpracujących z próżniowymi chwytakami automatów montażowych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: izolowane przetwornice prądu stałego serii NXE mieszczą się w kompaktowych obudowach umożliwiających podawanie za pomocą taśmy i szpuli oraz automatyczny montaż na płytkach drukowanych (PCB). (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Konstrukcja wbudowanego transformatora zapewnia dobre parametry elektryczne w porównaniu z innymi konstrukcjami izolowanymi. Pod pełnym obciążeniem izolowane przetwornice prądu stałego zazwyczaj działają w zakresie sprawności od 55 do 85%. Serie NXE i NXJ2 charakteryzują się sprawnością rzędu 72% przy 100-procentowym obciążeniu i napięciu wyjściowym 5V, przy czym sprawność zwiększa się do 76% w przypadku napięcia wyjściowego 15V oraz do 78% przy napięciu wyjściowym 24V.

Izolowane przetwornice prądu stałego zasadniczo charakteryzują się brakiem precyzyjnej regulacji właściwej produktom nieizolowanym, ponieważ nie mają one pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy wyjściem a wejściem. W przypadku serii NXE, regulacja linii wynosi 1,15%/%, a regulacja obciążenia mieści się w zakresie od 7 do 11%. W przypadku serii NXJ2, regulacja linii wynosi typowo 1%/% dla napięcia wejściowego 24V oraz typowo 1,1%/% dla wszystkich pozostałych typów napięcia wejściowego. Dokładność nastawy napięcia uzależniona jest od wyjściowego prądu obciążenia oraz wybranego urządzenia serii NXE lub NXJ2. Przykładowo: dla prądu wyjściowego przy pełnym obciążeniu urządzenie NXE2S1215MC o napięciu wejściowym 12V i napięciu wyjściowym 15V wykazuje odchylenia od -2 do -6% w stosunku do nastawy (ilustracja 4).

Ilustracja 4: cechą izolowanych przetwornic prądu stałego jest brak precyzyjnej regulacji charakterystycznej dla nieizolowanych przetwornic prądu stałego. Dokładność nastawy napięcia różni się w zależności od wyjściowego prądu obciążenia. Przedstawiony tu przykład pokazuje dokładność napięcia wyjściowego względem nastawy przy różnych obciążeniach dla izolowanej przetwornicy prądu stałego NXE2S1215MC o napięciu wejściowym 12V i napięciu wyjściowym 15V, produkowanej przez firmę Murata. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Jak czytać specyfikacje

Elektryczne oddzielenie wejścia od wyjścia często stanowi wymóg określony przepisami. Oznacza to, że projektant musi mieć świadomość, czego przepisy wymagają od danego projektu. Czasem nie jest to wcale takie proste, ponieważ informacje mogą być niejednoznaczne.

Przykład: normy określone przepisami odrębnie określają izolację wymaganą dla komponentu i dla produktu końcowego - i jest ona inna w obydwu przypadkach. Tak więc, przykładowo: arkusz specyfikacji komponentu może przewidywać, że urządzenie jest w stanie wytrzymać napięcie próby izolacji wynoszące od 2,5kV do 5kV prądu zmiennego oraz że jest ono zgodne z normą IEC 60950-1 odnoszącą się do produktu, podczas gdy dla projektanta bardziej istotne jest to, że napięcie robocze izolatora wynosi np. od 150V do 600V prądu zmiennego i że jest ono zgodne z normą IEC 60747-5-5 odnoszącą się do komponentu.

Należy również zachować ostrożność w odniesieniu do terminologii stosowanej przy określaniu poziomów izolacji. „Podstawowa” oznacza pojedynczą warstwę izolacji, „podwójna” obejmuje dwie warstwy; z kolei „wzmocniona” oznacza system pojedynczej izolacji równoważny izolacji „podwójnej”. Normy zakładają możliwość wystąpienia pojedynczego przebicia w jednej warstwie izolacji, tak więc produkt posiadający drugą warstwę izolacji nadal będzie zapewniał ochronę. Co istotne, kiedy norma dotycząca komponentu określa go jako „podstawowy”, uznaje się go za nieodpowiedni dla celów ochrony bezpieczeństwa.

Kolejnym istotnym aspektem działania izolacji komponentu jest odstęp izolacyjny i droga upływu. Odstęp izolacyjny to najkrótszy odcinek pomiędzy dwoma obwodami komponentu przebiegający w powietrzu, a droga upływu to najkrótszy odcinek biegnący po powierzchni.

Najlepszym sposobem zyskania pewności przez projektanta co do działania izolatora jest zweryfikowanie, czy izolatory posiadają certyfikację VDE oraz UL (Underwriters Laboratory) i uzyskanie kopii rzeczywistych certyfikatów od producenta izolatorów.

W przypadku serii NXE i NXJ2, gdzie laminat FR4 zapewnia barierę izolacyjną pomiędzy pierwotnym a wtórnym uzwojeniem przetwornicy, każdy z komponentów został przetestowany prądem stałym o napięciu 3kV trwającym 1 sekundę, natomiast testy kwalifikacyjne na próbkach trwały jedną minutę pod prądem stałym o napięciu 3kV. Rezystancja izolacji mierzona jest przy 10GΩ pod napięciem testowym wynoszącym 1kV prądu stałego.

Urządzenia serii NXE i NXJ2 zostały zakwalifikowane przez UL jako odpowiadające normie ANSI/AAMI ES60601-1 i stanowią jeden środek ochrony operatora (ang. Means of Operator Protection, MOOP) przy maksymalnym napięciu roboczym 250Vrms, pomiędzy cewkami pierwotnymi a wtórnymi. Instytucja certyfikująca UL uznała także te przetwornice prądu stałego za odpowiadające wymogom normy UL 60950 w zakresie wzmocnionej izolacji w odniesieniu do napięcia roboczego 125V rms. Droga upływu dla tego urządzenia wynosi 2,5mm, a odstęp izolacyjny 2mm.

Zmniejszanie tętnień wyjściowych oraz kompatybilność elektromagnetyczna (EMC)

Przełączające przetwornice napięcia zawsze stwarzają wyzwania dla projektanta z uwagi na tętnienia napięcia i prądu generowane przez elementy przełączające. Izolowane przetwornice prądu stałego nie stanowią tu wyjątku.

Bez obwodów filtra wyjściowego, typowe tętnienia wyjściowe przetwornic prądu stałego serii NXE wynoszą ok. 55mV przy napięciu międzyszczytowym (p-p) rosnącym do maks. 85mVp-p. Dla serii NXJ2 wartości te wynoszą odpowiednio 70mVp-p i 170mVp-p. Choć wartości te są akceptowalne w przypadku wielu zastosowań, istnieją też sytuacje, które wymagają bardziej stabilnego napięcia wyjściowego.

Zastosowanie obwodu filtra wyjściowego ukazanego na ilustracji 5 może radykalnie obniżyć tętnienia napięcia i prądu na wyjściu urządzenia. Wartości cewki indukcyjnej (L) i kondensatora (C) różnią się w zależności od napięcia wejściowego i wyjściowego przetwornicy prądu stałego; jednakże np. urządzenie NXE2S1205MC firmy Murata (12V na wejściu/ 5V na wyjściu) wymaga cewki indukcyjnej o indukcyjności 22µH i kondensatora o pojemności 10µF. Rezultatem działania obwodu filtra wyjściowego jest obniżenie tętnień napięcia i prądu na wyjściu urządzenia do max. 5mVp-p.

Ilustracja 5: ten prosty obwód filtra wyjściowego z odpowiednimi wartościami L i C może o cały rząd wielkości obniżyć tętnienia napięcia i prądu na wyjściu izolowanej przetwornicy prądu stałego. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

W celu uzyskania optymalnych rezultatów, równoważna rezystancja szeregowa (ESR) kondensatora powinna być jak najniższa, a napięcie znamionowe powinno być co najmniej dwukrotnie wyższe od znamionowego napięcia wyjściowego izolowanej przetwornicy prądu stałego. W odniesieniu do cewki indukcyjnej, prąd znamionowy nie powinien być mniejszy niż prąd wyjściowy przetwornicy prądu stałego. Przy prądzie znamionowym, rezystancja prądu stałego cewki indukcyjnej powinna być taka, aby spadek napięcia na cewce wynosił mniej niż 2% napięcia znamionowego przetwornicy prądu stałego.

Do urządzeń serii NXE i NXJ2 można dodać obwód filtra wejściowego celem wytłumienia zakłóceń elektromagnetycznych, jak pokazano na ilustracji 6. Podobnie jak we wcześniejszym przypadku, wartości L i C różnią się w zależności od napięcia wejściowego i wyjściowego przetwornicy prądu stałego; jednakże np. urządzenie NXE2S1215MC firmy Murata (12V na wejściu i 15V na wyjściu) wymaga cewki indukcyjnej o indukcyjności 22µH i kondensatora o pojemności 3,3µF.

Ilustracja 6: ten prosty obwód filtra wejściowego z odpowiednimi wartościami L i C może zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne izolowanej przetwornicy prądu stałego do poziomu niższego od wymogów przewidzianych normą EN 55022. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Jak pokazano na ilustracji 7, rezultat filtrowania pozwala izolowanym przetwornicom prądu stałego firmy Murata na osiągnięcie dozwolonego quasi-szczytowego poziomu kompatybilności elektromagnetycznej zgodnie z krzywą B, według normy EN 55022. Urządzenie emitujące zakłócenia elektromagnetyczne musi działać poniżej tych limitów, aby spełnić wymogi unijnej dyrektywy w sprawie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) z 2014 r.

Ilustracja 7: rezultatem wprowadzenia obwodu filtra wejściowego pokazanego na ilustracji 6 jest obniżenie zakłóceń elektromagnetycznych emitowanych przez izolowaną przetwornicę prądu stałego (w tym przypadku NXE2S1215MC) do poziomu poniżej limitów przewidzianych przez unijną dyrektywę w sprawie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Więcej informacji na temat projektowania obwodów filtrów przeznaczonych do przetwornic prądu stałego można znaleźć w artykule technicznym DigiKey pt. „Dobór kondensatorów jako wymóg w projektowaniu regulatorów napięcia”.

Podsumowanie

Izolowane przetwornice prądu stałego odgrywają kluczową rolę w sytuacji, gdy ze względów bezpieczeństwa lub wymogów przepisów konieczne jest elektryczne rozdzielenie napięcia wejściowego i wyjściowego. Niemniej jednak izolacja z użyciem transformatora może oznaczać ograniczenia projektowe i związane z tym kompromisy - głównie w zakresie kosztów, wymiarów, zmienności parametrów pracy oraz wyzwań związanych z montażem.

Inżynierowie muszą mieć świadomość tych kompromisów i odpowiednio projektować produkty. Przykładowo: izolowane przetwornice prądu stałego zasadniczo charakteryzują się brakiem pętli sprzężenia zwrotnego pozwalającej na precyzyjną regulację produktów nieizolowanych, dlatego w ich przypadku napięcia wyjściowe w zależności od obciążenia mogą się w szerszym zakresie różnić od nastawy w porównaniu z komponentami izolowanymi.

Jak wykazano, istnieją rozwiązania w zakresie przetwornic prądu stałego, które zamiast kosztownego i nieporęcznego transformatora montowanego na płytce wykorzystują naprzemienne warstwy laminatu FR4 i miedzi tworzące transformator wbudowany w podłoże przetwornicy. W rezultacie powstaje mniej kosztowne, kompaktowe urządzenie wykazujące się lepszą powtarzalnością parametrów elektrycznych dla poszczególnych komponentów, które nadaje się do automatycznego montażu. Te izolowane przetwornice prądu stałego spełniają także odpowiednie normy w zakresie izolacji wysokonapięciowych i testowania izolacji.