Utilizzare i convertitori c.c./c.c. isolati con trasformatori embedded per semplificare l'assemblaggio

Nella spinta volta a ridurre i costi e lo spazio, i convertitori monolitici c.c./c.c. sono una buona soluzione per molte applicazioni ad alto volume, ma non possono essere utilizzati in progetti che richiedono l'isolamento elettrico dell'ingresso dall'uscita di alimentazione. I dispositivi medici sono un buon esempio. In genere, si possono usare invece alimentatori isolati montati su scheda, ma questi si affidano a un trasformatore per ottenere l'isolamento elettrico richiesto, abbassando così l'efficienza e aumentando i costi, le dimensioni e il peso della soluzione. Il trasformatore introduce anche la variabilità nelle prestazioni del convertitore c.c./c.c. e ne rende difficile l'assemblaggio automatizzato a grandi volumi.

Per affrontare molte di queste problematiche, i progettisti possono rivolgersi ai moduli convertitori c.c./c.c. isolati che incorporano il trasformatore nel substrato del convertitore.

Questo articolo spiega le circostanze che richiedono l'uso di convertitori c.c./c.c. isolati. Presenta poi alcune soluzioni di esempio di Murata Electronics e mostra come usarle per ottenere l'isolamento senza i grandi compromessi progettuali tipicamente associati ai convertitori c.c./c.c. isolati basati su trasformatore. L'articolo descrive anche come il contenitore del convertitore soddisfi l'esigenza del montaggio superficiale automatizzato di alto livello e mostra come progettare i convertitori c.c./c.c. isolati in prodotti con minimo ripple di tensione e corrente e interferenze elettromagnetiche (EMI) ridotte.

Quando utilizzare un convertitore isolato

In un convertitore c.c./c.c. convenzionale, un singolo circuito regolatore consente il flusso di corrente direttamente dall'ingresso all'uscita. Ciò riduce la complessità, le dimensioni e il prezzo della soluzione. Ma molte applicazioni richiedono isolamento galvanico (nel resto dell'articolo, chiamato semplicemente "isolamento") per separare elettricamente il lato di ingresso e quello di uscita del dispositivo. Ad esempio, i requisiti di sicurezza possono imporre l'uso di un convertitore c.c./c.c. isolato - utilizzando un trasformatore (o in alcuni casi induttori accoppiati) per trasferire la tensione e la corrente sul vuoto tra il lato di ingresso e quello di uscita - in particolare se il lato di ingresso è collegato a tensioni abbastanza elevate da essere pericolose per le persone. I convertitori c.c./c.c. isolati sono anche utili per interrompere gli anelli di massa, separando così le parti di un circuito sensibili al rumore dalle sorgenti di quel rumore (Figura 1).

Figura 1: Un convertitore c.c./c.c. di base non isolato (in alto) rispetto a una versione isolata (in basso) che utilizza un trasformatore per l'isolamento galvanico. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Un'altra caratteristica di un convertitore c.c./c.c. isolato è l'uscita flottante. Anche se tali convertitori forniscono una tensione fissa tra i terminali di uscita, non hanno una tensione definita o fissa rispetto ai livelli di tensione nei circuiti dai quali sono stati isolati (sono cioè "flottanti"). Esiste un'opzione per collegare l'uscita flottante di un convertitore c.c./c.c. isolato a un nodo circuitale sul lato di uscita per fissarne la tensione, il che permette poi di spostare o invertire l'uscita rispetto a un altro punto situato nel circuito sul lato di uscita. A causa della separazione dei circuiti di ingresso e di uscita, il progettista deve assicurarsi che entrambi i circuiti abbiano i propri riferimenti di massa.

La scheda tecnica di un determinato convertitore c.c./c.c. elenca tipicamente la sua tensione di isolamento - il valore massimo applicabile per un tempo definito (breve) senza che la corrente colmi il vuoto. Inoltre, la scheda tecnica indica la tensione massima di funzionamento che può essere tollerata in modo continuo senza interrompere l'isolamento.

L'isolamento comporta alcuni compromessi. In primo luogo, i convertitori isolati tendono a essere più costosi perché il trasformatore (tipicamente personalizzato) costa di più dell'induttore equivalente (prodotto di serie) usato nella versione non isolata. Più alto è l'isolamento richiesto, maggiore è il costo.

In secondo luogo, i convertitori c.c./c.c. isolati tendono a essere più grandi delle versioni non isolate; il trasformatore è generalmente più grande dell'induttore equivalente e l'induttore tende a funzionare a frequenze di commutazione più elevate, riducendo ulteriormente le sue dimensioni rispetto al trasformatore.

In terzo luogo, l'efficienza, la regolazione e la ripetibilità delle prestazioni da componente a componente dei convertitori c.c./c.c. isolati tende a essere inferiore a quella dei convertitori non isolati. Il trasformatore introduce alcune inefficienze rispetto a un induttore e la barriera di isolamento impedisce che l'uscita venga rilevata e controllata direttamente per una migliore regolazione e per prestazioni transitorie. Essendo più piccoli, i convertitori c.c./c.c. non isolati possono essere posizionati vicino al carico per ridurre gli effetti della linea di trasmissione e aumentare ulteriormente l'efficienza. Inoltre, poiché il trasformatore nei convertitori isolati è tipicamente un dispositivo realizzato su misura, non esistono due dispositivi che forniscono esattamente la stessa uscita.

Infine, quel trasformatore può anche ostacolare l'efficienza del processo di assemblaggio ad alto volume. Il profilo del convertitore c.c./c.c. isolato con trasformatore lo rende inadatto per l'assemblaggio automatizzato, e ne impone l'aggiunta manuale alla PCB.

Scelta di un convertitore c.c./c.c. isolato

Se l'applicazione del progettista richiede l'isolamento per motivi di sicurezza o altro, i compromessi appena descritti devono essere rispettati. L'attenta ricerca dei componenti può rivelare alcune soluzioni più recenti progettate per ridurre al minimo l'impatto dei compromessi progettuali.

Ad esempio, Murata ha recentemente introdotto i convertitori c.c./c.c. isolati serie NXE (Figura 2) e NXJ2. Questi prodotti sono progettati per affrontare alcune delle sfide tradizionali presentate dai convertitori c.c./c.c. isolati.

Figura 2: I convertitori c.c./c.c. isolati NXJ2 e NXE (illustrati) di Murata incorporano un trasformatore nel substrato dei componenti per ridurre le dimensioni del prodotto. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

La serie NXE offre fino a 2 W con opzioni di ingresso a 5 e 12 V e opzioni di uscita a 5, 12 e 15 V. La corrente di ingresso e di uscita varia con la tensione, ma va da 542 mA di ingresso/400 mA di uscita per il prodotto a 5/5 V a 205/133 mA per il prodotto a 12/15 V. La gamma di prodotti è caratterizzata da frequenze di commutazione da 100 a 130 kHz, a seconda del modello.

Analogamente, la serie NXJ2 è un modello a 2 W con opzioni di ingresso a 5, 12 e 24 V e opzioni di uscita a 5, 12 e 15 V. Gli intervalli della corrente di ingresso e uscita vanno da 550 mA in ingresso/400 mA in uscita per il prodotto a 5/5 V a 105/133 mA per il prodotto a 24/15 V. I prodotti sono caratterizzati da frequenze di commutazione da 95 a 140 kHz.

I convertitori c.c./c.c. isolati di Murata affrontano le sfide della produzione automatizzata incorporando il trasformatore nel substrato del dispositivo. Il trasformatore è formato da strati alternati di FR4 - il laminato epossidico rinforzato in vetro usato spesso come base per i circuiti stampati - e di rame per creare gli avvolgimenti attorno al nucleo embedded. La costruzione del trasformatore incorporato pare favorire la dissipazione del calore e migliorare la ripetibilità delle prestazioni tra i componenti.

Il risultato è un contenitore a profilo ribassato (meno di 4,5 mm), compatto (15,9 x 11,5 mm per le versioni a 5 e 12 V e 16 per 14,5 mm per la versione a 24 V) adatto per il confezionamento nastrato in bobina, che può essere prelevati da un ugello di aspirazione di una macchina di posizionamento automatico (Figura 3).

Figura 3: I convertitori c.c./c.c. isolati NXE sono alloggiati in un contenitore compatto che può essere alimentato nastrato in bobina e posizionato sulla scheda CS da apparecchiature di assemblaggio automatico. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

La progettazione incorporata del trasformatore si traduce in buone prestazioni elettriche rispetto ad altri modelli isolati. I convertitori c.c./c.c. isolati funzionano tipicamente nell'intervallo di efficienza dal 55 all'85% a pieno carico. Le serie NXE e NXJ2 hanno un'efficienza del 72% circa sotto il 100% del carico con un'uscita a 5 V, che sale al 76% di efficienza per un'uscita a 15 V e al 78% per un'uscita a 24 V.

I convertitori c.c./c.c. isolati in genere non hanno la regolazione precisa tipica dei prodotti non isolati perché non hanno un anello di retroazione elettrica tra l'uscita e l'ingresso. Per la serie NXE, la regolazione di linea è dell'1,15%/% e la regolazione del carico è tra il 7 e l'11%. Per la serie NXJ2, la regolazione di linea è tipicamente dell'1%/% per l'ingresso a 24 V e dell'1,1%/% per tutti gli altri tipi di ingresso. La precisione del setpoint di tensione dipende dalla corrente di carico in uscita e dal dispositivo NXE o NXJ2 selezionato. Ad esempio, la soluzione NXE2S1215MC a 12 V in ingresso/15 V in uscita presenta una variazione da -2 a -6% rispetto al setpoint alla massima corrente di carico di uscita (Figura 4).

Figura 4: I convertitori c.c./c.c. isolati non hanno la regolazione precisa tipica dei convertitori c.c./c.c. non isolati. La precisione del setpoint di tensione varia a seconda della corrente di carico in uscita. Questo esempio mostra la precisione della tensione di uscita rispetto al setpoint per carichi diversi per NXE2S1215MC, il convertitore c.c./c.c. isolato di Murata a 12 V in ingresso/15 V in uscita. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Come interpretare le specifiche

La separazione elettrica dell'ingresso dall'uscita è spesso un requisito normativo; per l'ingegnere è quindi importante sapere esattamente ciò che impongono le normative per un determinato progetto. Questo può essere difficile, perché spesso le informazioni possono creare confusione.

Ad esempio, gli standard normativi specificano separatamente l'isolamento richiesto per un componente e l'isolamento richiesto per un prodotto finale, che sono diversi nei due casi. Così, ad esempio, la scheda tecnica di un componente potrebbe dichiarare che il dispositivo può sopportare una tensione di prova di isolamento da 2,5 a 5 kV c.a. e che aderisce allo standard di prodotto IEC 60950-1, quando ciò che è più importante per il progettista è che la tensione di lavoro dell'isolatore sia, ad esempio, da 150 a 600 V c.a. e che rispetti lo standard di componente IEC 60747-5-5-5.

Occorre inoltre prestare attenzione alla terminologia utilizzata per descrivere i livelli di isolamento. "Base" è un singolo strato di isolamento e "Doppio" si riferisce a due strati; "Rinforzato" è un singolo sistema di isolamento equivalente al Doppio. Le norme presuppongono che un singolo guasto possa verificarsi in un unico strato di isolamento, per cui un prodotto con un secondo strato di isolamento offrirà comunque la protezione. È importante notare che quando un componente viene definito "Basico" in uno standard di componente, viene classificato come inadeguato per la protezione di sicurezza.

Un altro aspetto importante delle prestazioni di isolamento del componente è la sua distanza minima in aria e di isolamento superficiale. La distanza minima in aria è la distanza più breve tra due circuiti di componenti in aria, mentre la distanza di isolamento superficiale è la distanza più breve attraverso una superficie.

Il modo migliore per il progettista di assicurare le prestazioni di un isolatore è quello di verificare che abbia le certificazioni VDE e Underwriters Laboratory (UL) e di ottenere una copia dei certificati effettivi dal produttore dell'isolatore.

Nel caso delle serie NXE e NXJ2, dove FR4 fornisce la barriera di isolamento tra gli avvolgimenti primari e secondari del convertitore, ogni componente è stato testato a 3 kV c.c. per un secondo con la qualificazione dei campioni testati a 3 kV c.c. per un minuto. La resistenza di isolamento è misurata a 10 GΩ con una tensione di prova di 1 kV c.c.

Le serie NXE e NXJ2 sono riconosciute da UL ai sensi ANSI/AAMI ES60601-1 e forniscono un valore MOOP (mezzi di protezione dell'operatore ) basato su una tensione di lavoro di 250 V rms max, tra le bobine primaria e secondaria. UL riconosce anche i convertitori c.c./c.c. secondo UL 60950 per l'isolamento rinforzato a una tensione di lavoro di 125 V rms. La distanza minima in aria dei dispositivi è di 2,5 mm e la distanza di isolamento superficiale è di 2 mm.

Ridurre il ripple di uscita e EMC

I convertitori di tensione di commutazione comportano sempre delle sfide progettuali legate al ripple di tensione e corrente generato dagli elementi di commutazione. I convertitori c.c./c.c. isolati non fanno eccezione.

Senza circuiti di filtraggio di uscita, il ripple di uscita tipico dei convertitori c.c./c.c. NXE è di circa 55 mVp-p fino a un massimo di 85 mVp-p. I valori corrispondenti per la serie NXJ2 sono 70 mVp-p e 170 mVp-p. Se questi valori sono accettabili per molte applicazioni, altre richiedono un'uscita più stabile.

Il circuito di filtraggio di uscita mostrato nella Figura 5 può essere utilizzato per abbassare drasticamente il ripple di tensione e corrente di uscita. I valori dell'induttore (L) e del condensatore (C) variano a seconda delle tensioni di ingresso e di uscita del convertitore c.c./c.c.. Tuttavia ad esempio il prodotto NXE2S1205MC di Murata (12 V di ingresso/5 V di uscita) richiede un induttore di 22 µH e un condensatore di 10 µF. Il circuito di filtraggio di uscita abbassa il ripple di tensione e di corrente di uscita fino a un massimo di 5 mVp-p.

Figura 5: Questo semplice circuito di filtraggio di uscita con valori appropriati di L e C può ridurre notevolmente il ripple di tensione e corrente di uscita del convertitore c.c./c.c. isolato. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Per i migliori risultati, la resistenza equivalente in serie (ESR) del condensatore dovrebbe essere la più bassa possibile, e la tensione nominale dovrebbe essere almeno il doppio della tensione di uscita nominale del convertitore c.c./c.c. isolato. Per l'induttore, la corrente nominale non dovrebbe essere inferiore a quella dell'uscita del convertitore c.c./c.c. Alla corrente nominale, la resistenza c.c. dell'induttore dovrebbe essere tale che la caduta di tensione attraverso l'induttore sia inferiore al 2% della tensione nominale del convertitore c.c./c.c.

Si può aggiungere un circuito di filtraggio di ingresso alla serie NXE e NXJ2 per smorzare le EMI, come mostra la Figura 6. Anche in questo caso, i valori di L e C variano a seconda delle tensioni di ingresso e di uscita del convertitore c.c./c.c.. Tuttavia ad esempio il prodotto NXE2S1215MC di Murata (12 V di ingresso/15 V di uscita) richiede un induttore di 22 µH e un condensatore di 3,3 µF.

Figura 6: Questo semplice circuito di filtraggio di ingresso con valori appropriati di L e C può ridurre le emissioni EMI del convertitore c.c./c.c. isolato al di sotto di quelle richieste per soddisfare i limiti della norma EN 55022. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Come mostrato in Figura 7, l'effetto del filtraggio consente ai convertitori c.c./c.c. isolati di Murata di soddisfare il limite EMC della norma EN 55022 Curve B Quasi-Peak. Un dispositivo radiante EMI deve migliorare questi limiti per soddisfare la Direttiva EMC 2014.

Figura 7: L'effetto del circuito di filtraggio di ingresso mostrato in Figura 6 è quello di abbassare le emissioni EMI isolate del convertitore c.c./c.c. (NXE2S1215MC, in questo caso) al di sotto dei limiti imposti dalla Direttiva UE sulle EMC. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Per ulteriori informazioni sulla progettazione dei circuiti di filtraggio per i convertitori c.c./c.c., vedere l'articolo tecnico DigiKey La selezione del condensatore è fondamentale per la buona progettazione di un regolatore di tensione.

Conclusione

I convertitori c.c./c.c. isolati svolgono un ruolo essenziale quando le normative o considerazioni di sicurezza richiedono la separazione elettrica delle tensioni di ingresso e di uscita. Tuttavia, l'isolamento con l'uso di un trasformatore può portare a compromessi di progettazione, soprattutto per quanto riguarda i costi, le dimensioni, la variabilità delle prestazioni e le difficoltà di assemblaggio.

I progettisti devono essere consapevoli di questi compromessi e progettare i prodotti di conseguenza. Ad esempio, i convertitori c.c./c.c. isolati in genere non hanno il circuito di retroazione che permette la regolazione precisa dei prodotti non isolati, quindi le tensioni di uscita possono variare molto sotto carico dal setpoint rispetto a questi ultimi componenti.

Come mostrato, esistono soluzioni c.c./c.c. che invece di utilizzare un costoso e ingombrante trasformatore montato su scheda, utilizzano strati alternati di FR4 e rame per creare un trasformatore incorporato nel substrato del convertitore. Il risultato è un dispositivo meno costoso e compatto che mostra una migliore ripetibilità delle prestazioni elettriche da componente a componente e compatibile con i macchinari di posizionamento automatizzati. Questi convertitori c.c./c.c. isolati soddisfano anche gli standard rilevanti per le prove di isolamento ad alta tensione.