השימוש בממירי DC/DC מבודדים עם שנאים משובצים כדי להקל על ההרכבה

במאמץ להקטין את העלות והמקום, ממירי DC-DC‏ מונוליתיים הם פתרון טוב עבור יישומים רבים בכמויות גדולות, אך לא ניתן להשתמש בהם בתכנים הדורשים בידוד חשמלי של כניסת ספק-הכוח מהיציאה שלו. התקנים רפואיים הם דוגמה טובה. במקום זאת ניתן בדרך כלל להשתמש בספקי-כוח מבודדים המורכבים בלוח, אך אלו מסתמכים על שנאי כדי להשיג את הבידוד החשמלי הנדרש ובכך מקטינים את הנצילות ומגדילים את עלות, גודל ומשקל הפתרון. השנאי מכניס גם שונות בביצועי ממיר ה- DC-DC ומקשה על הרכבה אוטומטית הנחוצה עבור כמויות גדולות.

כדי להתמודד עם רבים מאתגרים אלו, המתכננים יכולים לפנות למודולי ממיר DC-DC מבודדים בהם השנאי משובץ בתוך מצע הממיר.

מאמר זה מסביר את הנסיבות המחייבות שימוש בממירי DC-DC מבודדים. לאחר מכן הוא מציג פתרונות לדוגמה מבית Murata Electronics ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי להשיג בידוד ללא פשרות התכנון העיקריות הקשורות בדרך כלל לממירי DC-DC מבודדים מבוססי-שנאים. המאמר גם מתאר כיצד מארז הממיר עונה על הצורך בהרכבת משטחית אוטומטית ברמה גבוהה, ומראה כיצד לתכנן את ממירי ה- DC-DC המבודדים לתוך מוצרים עם אדוות מתח וזרם מינימלית והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) מופחתות.

מתי להשתמש בממיר מבודד

בממיר DC-DC קונבנציונלי, מעגל מייצב יחיד מאפשר לזרם לזרום ישירות מהכניסה ליציאה. זה מפחית את המורכבות, הגודל והמחיר. אך ישנם יישומים רבים הדורשים בידוד גלווני (שיקרא מעתה פשוט "בידוד") כדי להפריד חשמלית בין צדדי הכניסה והיציאה של ההתקן. לדוגמה, דרישות הבטיחות עשויות להכתיב את השימוש בממיר DC-DC מבודד - באמצעות שנאי (או במקרים מסוימים משרני צימוד) להעברת מתח וזרם על פני המרחק בין צדדי הכניסה והיציאה של ההתקן - במיוחד אם צד הכניסה מחובר למתח שהוא גבוה דיו כדי לסכן בני אדם. ממירי DC-DC מבודדים הם שימושיים גם עבור ניתוק חוגי הארקה, ובכך להפריד בין חלקי מעגל הרגישים לרעש לבין מקורות רעש זה (איור 1).

איור 1‏: ממיר DC-DC לא-מבודד בסיסי (למעלה) בהשוואה לגרסה מבודדת (למטה) תוך שימוש בשנאי עבור בידוד גלווני. (מקור התמונה: DigiKey)

מאפיין נוסף של ממיר DC-DC מבודד הוא יציאה צפה. בעוד שממירים כאלו אכן מספקים מתח קבוע בין הדקי היציאה, אין להם מתח מוגדר או קבוע ביחס לרמות המתח במעגלים מהם הם מבודדים (כלומר, הם "צפים"). קיימת אפשרות לחבר את היציאה הצפה של ממיר DC-DC מבודד לצומת מעגל בצד היציאה כדי לתקן את המתח שלו, מה שמאפשר ליציאה להיות מוסטת או מהופכת ביחס לנקודה אחרת הממוקמת במעגל צד היציאה. עקב ההפרדה בין מעגלי הכניסה והיציאה, המתכננים חייבים להבטיח שלשני המעגלים יש את ייחוסי ההארקה משלהם.

גיליון הנתונים של ממיר DC-DC נתון מפרט בדרך כלל את מתח הבידוד שלו - המקסימום שניתן ליישם לזמן מוגדר (קצר) מבלי שהזרם יגשר על המרחק. בנוסף, גליון הנתונים מפרט את מתח הפעולה המקסימלי שניתן לעמוד בו ברציפות מבלי לפרוץ את הבידוד.

אך בידוד מביא לפשרות מסוימות. ראשית, ממירים מבודדים נוטים להיות יקרים יותר מכיוון שהשנאי (בדרך כלל מותאם-במיוחד) יקר יותר מהמשרן האקוויוולנטי (מן-המדף) המשמש בגרסה הלא-מבודדת. ככל שהבידוד הנדרש גבוה יותר, כך העלות גבוהה יותר.

שנית, ממירי DC-DC מבודדים נוטים להיות גדולים יותר מגרסות לא-מבודדות; השנאי הוא בדרך כלל גדול מהמשרן המקביל והמשרן נוטה לפעול בתדרי מיתוג גבוהים יותר המקטינים עוד יותר את גודלו בהשוואה לשנאי.

שלישית, הנצילות, הייצוב ועקביות הביצועים בין רכיב-לרכיב בממירי DC-DC מבודדים נוטים להיות נחותים לעומת ממירים לא-מבודדים. השנאי פוגע בנצילות בהשוואה למשרן, ומחסום הבידוד מונע את יכולת החישה הישירה והבקרה ההדוקה עבור ייצוב וביצועי טרנזיינטים טובים יותר. מכיוון שהם קטנים יותר, ניתן למקם ממירי DC-DC לא-מבודדים קרוב לעומס כדי להפחית את השפעות קו ההעברה ולהגדיל עוד יותר את היעילות. כמו כן, מכיוון שהשנאי בממירים מבודדים הוא בדרך כלל התקן המיוצר בהתאמה-מיוחדת, אין שני התקנים המספקים את אותה היציאה בדיוק.

לבסוף, שנאי זה יכול גם להפריע לתהליך הרכבה יעיל בכמויות גדולות. הפרופיל של ממיר DC-DC מבודד עם שנאי הופך אותו לבלתי-מתאים עבור הרכבה אוטומטית, ומכתיב שיש להוסיף אותו ללוח ה- PCB ביד.

בחירת ממיר DC-DC מבודד

אם היישום של המתכנן דורש בידוד מטעמי בטיחות או מסיבות אחרות, אזי יש להתאים אותו לפשרות שתוארו לעיל. מחקר רכיבים יסודי יכול לחשוף כמה פתרונות חדשים יותר שתוכננו כדי להקטין למינימום את ההשפעה של פשרות התכנון.

לדוגמה, חברת Murata הציגה לאחרונה את ממירי DC-DC מבודדים סדרות NXE‏ (איור 2) ו- NXJ2‏. הם מתוכננים לתת מענה לחלק מהאתגרים המסורתיים שמציבים ממירי DC-DC מבודדים.

איור 2: ממירי ה- DC-DC המבודדים NXJ2 ו- NXE (מוצגים) מבית Murata כוללים שנאי המשובץ בתוך מצע הרכיבים כדי להקטין את גודל המוצר. (מקור התמונה: Murata Electronics)

סדרת NXE מציעה עד 2 וואט עם אפשרויות כניסה של 5 ו -12 וולט ואפשרויות יציאה של 5, 12 ו- 15 וולט. זרמי הכניסה והיציאה משתנים עם המתח, אך נעים בין כניסה של 542 מיליאמפר (mA) / יציאה של mA‏ 400‏ עבור מוצר 5/5 וולט ועד mA‏ 205/133 עבור מוצר 12/15 וולט. למגוון המוצרים יש תדרי מיתוג בין 100 ל -130 קילוהרץ (kHz) בהתאם לדגם.

בדומה, סדרת NXJ2 היא של תכן 2 וואט עם אפשרויות כניסה של 5, 12 ו- 24 וולט ואפשרויות יציאה של 5, 12 ו- 15 וולט. זרמי הכניסה והיציאה נעים בין כניסה של mA‏ 550‏ / יציאה של mA‏ 400‏ עבור מוצר 5/5 וולט ועד mA‏ 105/133 עבור מוצר 24/15 וולט. למוצרים יש תדרי מיתוג מ- kHz‏ 95 עד kHz‏ 140.

ממירי ה- DC-DC המבודדים מבית Murata מתמודדים עם אתגרי הייצור האוטומטי על ידי שיבוץ השנאי במצע ההתקן. השנאי נוצר מסירוג של שכבות FR4 - הלאמינאט האפוקסי מחוזק-זכוכית המשמש לעתים קרובות כבסיס עבור לוחות מעגלים מודפסים - ושכבות נחושת ליצירת ליפופים סביב הליבה המשובצת. מבוצע השנאי המשובץ אמור לסייע בפיזור החום ומשפר את עקביות הביצועים בין הרכיבים.

התוצאה היא מארז קומפקטי (15.9‏ x‏ 11.5 מ"מ בגרסות 5 ו- 12 וולט ו- 16‏ x‏ 14.5 מ"מ בגרסת 24 וולט) עם פרופיל נמוך (מתחת ל- 4.5 מילימטרים (מ"מ)) המתאים עבור אריזת סרט וסליל וניתן להרמה על ידי נחיר הוואקום של מכונות הרכבה אוטומטיות (איור 3).

איור 3: ממירי DC-DC מבודדים סדרת NXE נתונים במארז קומפקטי המתאים להזנת סרט וסליל והרכבה על לוח מעגלים מודפסים באמצעות ציוד הרכבה אוטומטי. (מקור התמונה: Murata Electronics)

תכן השנאי המשובץ מביא לביצועים חשמליים טובים בהשוואה לתכנים מבודדים אחרים. ממירי DC-DC מבודדים פועלים בדרך כלל בתחום הנצילויות של %‏55 עד 85% כאשר הם תחת עומס מלא. לסדרות NXE ו- NXJ2 יש נצילות סביב 72% תחת עומס של 100% עם יציאה של 5 וולט, העולה לנצילות של 76% עבור יציאה של 15 וולט ולנצילות של 78% עבור יציאה של 24 וולט.

באופן כללי לממירי DC-DC מבודדים אין את הייצוב המדויק האופייני למוצרים לא-מבודדים מכיוון שאין להם חוג משוב חשמלי בין היציאה לכניסה. עבור סדרת NXE, ייצוב הקו הוא 1.15% וייצוב העומס הוא בין %‎7 ל- 11%. עבור סדרת NXJ2, ייצוב הקו הוא %‏1 טיפוסי עבור כניסה של 24 וולט ו- %‏1.1 טיפוסי עבור כל סוגי הכניסות האחרות. הדיוק של נקודת ההגדרה של המתח תלוי בזרם העומס ביציאה ובהתקן הנבחר, NXE או NXJ2. לדוגמה, הפתרון של NXE2S1215MC‏ עם כניסה של 12 וולט / יציאה של 15 וולט מציג שינוייים של %‏2 עד 6% לעומת נקודת ההגדרה בזרם עומס יציאה מלא (איור 4).

איור 4: לממירי DC-DC מבודדים אין את הייצוב המדויק האופייני לממירי DC-DC לא-מבודדים. הדיוק של נקודת ההגדרה משתנה בהתאם לזרם העומס ביציאה. הדוגמה כאן מציגה את דיוק מתח היציאה כנגד נקודת ההגדרה עבור עומסים שונים של ה- NXE2S1215MC, ממיר DC-DC מבודד עם כניסה של 12 וולט / יציאה של 15 וולט מבית Murata. (מקור התמונה: Murata Electronics)

הבנת המפרט

ההפרדה החשמלית בין הכניסה והיציאה היא לעיתים קרובות דרישה רגולטורית, כך שחשוב שלמהנדס יהיה ברור מה דורשות התקנות עבור תכן נתון. זה יכול להיות קשה מכיוון שהמידע עלול לבלבל.

לדוגמה, הסטנדרטים הרגולטוריים מציינים בנפרד את הבידוד הנדרש עבור רכיב ואת הבידוד הנדרש עבור מוצר סופי - והם שונים עבור כל אחד מהם. כך, לדוגמה, גיליון המפרט עבור רכיב עשוי לקבוע שההתקן יכול לעמוד במתח בדיקת בידוד של 2.5 עד 5 קילו-וולט AC וכי הוא עומד בסטנדרט למוצרים IEC 60950-1, כאשר מה שיותר חשוב למתכנן הוא שמתח העבודה של המבדד הוא, לדוגמה, בין 150 עד 600 וולט AC וכי הוא עומד בסטנדרט הרכיבים IEC 60747-5-5.

יש להקפיד גם על המינוח המשמש לתיאור רמות הבידוד. "בסיסי" היא שכבה בודדת של בידוד ו"כפול" הן שתי שכבות; "מחוזק" היא מערכת בידוד אחת המקבילה ל"כפול". הסטנדרטים מניחים שתקלה יחידה יכולה להתרחש בשכבת בידוד אחת ולכן מוצר עם שכבת בידוד שנייה עדיין יציע הגנה. חשוב לציין שכאשר רכיב מוגדר כ"בסיסי" לפי הסטנדרט לרכיבים, הוא מסווג כלא מספיק עבור הגנת בטיחות.

היבט חשוב נוסף בביצועי הבידוד של הרכיב הם ה- Clearance‏ וה- Creepage‏. ה- Clearance‏ הוא המרחק הקצר ביותר בין שני מעגלי רכיבים דרך האוויר, ואילו ה- Creepage‏ הוא המרחק הקצר ביותר על פני משטח.

הדרך הטובה ביותר כדי שהמתכנן יוכל להיות בטוח בביצועי המבדד היא לוודא שלמבדד יש אישורי VDE ו- (Underwriters Laboratory (UL ולקבל עותק של האישורים עצמם מיצרן המבדד.

במקרה של סדרות NXE ו- NXJ2, בהן ה- FR4 מספק את מחסום הבידוד בין ליפופי הראשוני והשניוני של הממיר, כל רכיב נבדק ב- 3 קילו-וולט DC למשך שנייה אחת עם דגימות להרשאה שנבדקו ב- 3 קילו-וולט למשך דקה אחת. עמידות הבידוד נמדדת ב 10 גיגה-אוהם (GΩ‏) במתח בדיקה של 1 קילו-וולט DC.

סדרות NXE ו- NXJ2 מוכרות על ידי UL ל- ANSI/AAMI ES60601-1 ומספקות MOOP (אמצעי הגנת מפעיל) אחד המבוסס על מתח עבודה של 250 וולט RMS מקס', בין סלילי הראשוני והשניוני. UL מכיר גם בממירי DC-DC מול UL 60950 עבור בידוד מחוזק למתח עבודה של 125 וולט _RMS‏. ה- Creepage‏ עבור ההתקנים הוא 2.5 מ"מ וה- Clearance‏ הוא 2 מ"מ.

הקטנת אדוות היציאה וה- EMC

ממירי מתח ממותגים מציבים תמיד אתגרי תכנון ביחס לאדווות המתח והזרם הנוצרות על ידי אלמנטי המיתוג. ממירי DC-DC מבודדים אינם יוצאי-דופן.

ללא מעגלי סינון ביציאה, אדוות היציאה האופיינית של ממירי DC-DC סדרת NXE היא בסביבות 55 מילי-וולט (mV) שיא-לשיא (p-p) העולה עד מקסימום של mVp-p‏ 85‏. המספרים עבור סדרת NXJ2 הם mVp-p‏ 70 ו- mVp-p‏ 170 בהתאמה. אמנם ערכים אלו מקובלים עבור יישומים רבים, אך אחרים דורשים יציאה יציבה יותר.

מעגל מסנן היציאה המוצג באיור 5 יכול לשמש להפחתה דרמטית של אדווות הזרם והמתח ביציאה. ערכי המשרן (L) והקבל (C) משתנים בהתאם למתח הכניסה והיציאה של ממיר ה- DC-DC; אך לדוגמה, מוצר NXE2S1205MC‏ מבית Murata (כניסה של 12 וולט / יציאה של 5 וולט) דורש משרן של 22 מיקרו-הנרי (µH) וקבל של 10 מיקרו-פאראד (µF). ההשפעה של מעגל מסנן היציאה היא להפחית את אדווות המתח והזרם ביציאה למקסימום של mVp-p‏ 5.

איור 5: מעגל מסנן יציאה פשוט זה עם ערכי L ו- C מתאימים יכול להפחית את אדוות הזרם והמתח ביציאת ממיר DC-DC בסדר גודל. (מקור התמונה: Murata Electronics)

לקבלת התוצאות הטובות ביותר, ההתנגדות הטורית האקוויוולנטית (ESR‏) של הקבל צריכה להיות נמוכה ככל האפשר, ודירוג המתח צריך להיות לפחות כפול ממתח היציאה הנומינלי של ממיר ה- DC-DC המבודד. עבור המשרן, הזרם הנומינלי לא צריך להיות פחות מזה של יציאת ממיר ה- DC-DC. בזרם הנומינלי, התנגדות ה- DC של המשרן צריכה להיות כזו שמפל המתח על פני המשרן תהיה נמוכה מ -2% מהמתח הנומינלי של ממיר ה- DC-DC.

ניתן להוסיף מעגל מסנן כניסה לסדרות NXE ו- NXJ2 כדי לשכך EMI כמוצג באיור 6. שוב, ערכי המשרן (L) והקבל (C) משתנים בהתאם למתח הכניסה והיציאה של ממיר ה- DC-DC; אך לדוגמה, מוצר NXE2S1215MC‏ מבית Murata (כניסה של 12 וולט / יציאה של 15 וולט) דורש משרן של µH‏ 22 ו-קבל של µF‏ 3.3‏.

איור 6: מעגל מסנן יציאה פשוט זה עם ערכי L ו- C מתאימים יכול להפחית את פליטות ה- EMI של ממיר DC-DC מתחת לאלו הנדרשות לעמידה בגבולות EN 55022. (מקור התמונה: Murata Electronics)

כמוצג באיור 7, השפעת המסנן מאפשרת לממירי DC-DC המבודדים מבית Murata לעמוד בגבול EN 55022 Curve B Quasi-Peak EMC. התקן המקרין EMI חייב לשפר את הגבולות האלו כדי לעמוד בהנחיית EMC‏ 2014 של האיחוד האירופי (EU‏).

איור 7: ההשפעה של מעגל מסנן הכניסה המוצג באיור 6 היא להפחית את פליטות EMI של ממיר DC-DC מבודד (NXE2S1215MC, במקרה זה) אל מתחת לגבולות הנדרשות בהנחיית EMC של האיחוד האירופי (EU). (מקור התמונה: Murata Electronics)

למידע נוסף על תכנון מעגלי מסנן עבור ממירי DC-DC, עיינו במאמר הטכני של DigiKey, בחירת קבלים היא המפתח לתכנון מייצב מתח טוב.

סיכום

ממירי DC-DC מבודדים ממלאים תפקיד חיוני כאשר תקנות או שיקולי בטיחות דורשים הפרדה חשמלית בין מתחי הכניסה והיציאה. עם זאת, בידוד באמצעות שנאי יכול להביא לפשרות תכנון - בעיקר עלות, גודל, שונות ביצועים ואתגרי הרכבה.

המהנדסים צריכים להיות מודעים לפשרות הללו ולתכנן את המוצרים בהתאם. לדוגמה, לממירי DC-DC מבודדים אין בדרך כלל חוג משוב המאפשר ייצוב מדויק של מוצרים לא-מבודדים, כך שמתחי היציאה יכולים להיות שונים באופן נרחב יותר עם העומס מנקודת ההגדרה מאשר עם הרכיבים האחרונים.

כפי שהוצג, ישנם פתרונות DC-DC שבהם במקום להשתמש בשנאי יקר ומגושם המורכב על לוח, משתמשים בשכבות מתחלפות של FR4 ונחושת כדי לבנות שנאי המשובץ במצע הממיר. התוצאה היא התקן קומפקטי יקר פחות המציג עקביות טובה יותר של ביצועי רכיב-לרכיב וניתן לטפל בו באמצעות מכונות הרכבה אוטומטיות. ממירי DC-DC מבודדים אלו עומדים גם בסטנדרטים הרלוונטיים עבור בידוד מתח גבוה ובדיקת בידוד.