OFM-kube krymper forbedret 1W isolert DC/DC omformer Av Ann-Marie Bayliss, Product Marketing Manager, Murata Power Solutions Med sin evne til å forenkle tilgangen på laveffekt, isolerte kraftkretser for applikasjoner som prosesstyring og industrielle kommunikasjonsgrensesnitt drastisk, ble innkapslede, hullmonterte DC/DC-omformere svært populære etter at de kom på markedet for mer enn to tiår siden. Det tilgjengelige spekteret av inngangs- og utgangsspenninger økte raskt for å kunne dekke de vanligste industrielle nivåene, mens overgangen til overflatemonterte (OFM) pakker er den mest åpenbare endringen fra det originale produktkonseptet. Nye fremskritt tar nå OFM-pakken til et høyere nivå. Det å utvikle en bitte liten DC/DC-omformer som møter gjeldende ytelsesforventninger og som ivaretar en viss grad av fremtidssikkerhet, er en ikke helt rett-frem oppgave. Den første utfordringen ligger i å velge en topologi som møter størrelsesbegrensningene forbundet med miniatyrisering, og samtidig er i stand til å yte tilstrekkelig utgangseffekt, isolering og regulering. Den valgte tilnærmingen bør
være i stand til å håndtere flere vanlige inngangs- og utgangsspenninger, og samtidig kunne utvides til å levere mer effekt fra en lignende plattform. Behovet for en isolasjonsbarriere som tyåisk tåler 1 kv DC, impliserer en transformatorkopling som krever AC primærdriver og sekundær likeretting, en implementering som vil kreve kompromisser ikke minst mellom komponentantall og omformingseffektivitet. Den tradisjonelle løsningen basert på færrest mulig komponenter anvender en såkalt Royer metningskrets, en selvoscillerende topologi der et par med bipolare transistorer driver antifase vindinger i primærtrafoen, og henter sin basestrøm fra de motstående endene av en sentertappet ekstra spole. Ved å tilføre en DC inngangsspenning gjennom en oppstartsbiaskrets startes en transistor opp, som forblir på inntil transformatorens kjerne går i metning, transistoren gain-begrenses og alle spolespenningene på transformatoren kollapser. Eksisterende energi i transformatoren forårsaker reversering av polariteten i spolespenningene, som slår av den første transistoren og biaser den andre til på tilstand, og som da begynner å drive sin spole til metning. Prosessen repeteres for å opprettholde oscillering ved en frekvens som er proporsjonal med inngangsspenningen, og som sikrer en firkantformet utgangsspenning for likeretting. Denne basiskretsen har flere begrensninger, som mangel på aktiv regulering utgangsspenninngen er en funksjon av inngangsspenningen, interne tap og transformatorens antall viklinger sammen med dårlig effektivitet på grunn av tap fra halvledersvitsjing og magnetkjerne under de høye frekvensene som miniatyrtrafoer krever. Velkjente variasjoner over temaet omfatter modifisering av kretsen for å unngå tapsfylt metning av kjernen, ved bruk av en sekundær drivertrafo, som potensielt har høyere effektivitet, men som medfører økt kompleksitet og størrelse. Forbedringer i elektriske spesifikasjoner Ved å kombinere proprietære kretsforbedringer og nye komponentproduksjonsteknikker, kan designere forbedre lastreguleringen i en slik omformer. For eksempel var Murata Power Solutions sine ingeniører i stand til å øke lastreguleringsytelsen i sin MTU1 komponent til maksimalt -4, +5.5% fra 10% av full
last. Til sammenligning oppnådde man tidligere -7.5, +10%, se figur 1. For mange applikasjoner kan lastreguleringen disse forbedringene gir, eliminere behovet for ineffektive og plasskrevende etterreguleringstrinn. Figur 1. MTU1-serien forbedrer lastreguleringen på utgangen betydelig. Samtidig bidrar en vesentlig forbedring i komponentens toroidemagnet til å øke effektiviteten til området 83 88%. I tillegg er svitsjefrekvensen redusert fra nominelt 110 khz til 82 khz for MTU1 komponenter med 5V inngang, og 90 khz for variantene med 12V inngang. Disse trinnene bidrar likeledes til lavere dynamiske tap. Verdt å merke seg og som figur 2 viser når eller overstiger effektivitetskurvene 80% ved omkring 40% av mulig utgangseffekt, og er praktisk talt flate fra 50% og oppover. Disse effektivitetsforbedringene betyr en reduksjon på omkring 56% av intern effektdissipering som igjen reduserer interne hot-spots. Dette gir økt pålitelighet samtidig som man reduserer varmebelastningen som utstyret må håndtere. MTU1- serien krever ingen derating over sitt driftsområde fra -40 fra +85 C. Andre forbedringer i elektriske spesifikasjoner omfatter reduksjon i reflektert rippelstrøm, fra omrking 30 ma peak-til-peak, til 5 6 ma samt to-tre ganger reduksjon i
isolasjonskapasitansen. Disse egenskapene forenkler i stor grad behovet for inngangsfiltre. Den reduserte kapasitansen gir ytterligere isolasjon på inngang og utgang, noe som gjør komponenten langt mindre utsatt for å overføre støy gjennom dens isolasjonsbarriere, noe som potensielt kunne forstyrre følsomme laster. Figur 2. MTU1-serien møter eller overstiger 80% effiektivitet fra ~40% av dens mulige utgangseffekt og oppover. Fotavtrykket minsker De mest dramatiske forbedringene som MTU1serien introduserer er imidlertid komponentenes fotavtrykk, som krymper det vanlige, industristandard 12.70 x 11.70 mm arealet som andre komponenter dekker, til kun 9.10 x 6.08 mm. Dette representerer et fotavtrykk over den nye komponentens pinner som dekker 0.69 cm2 og en effektiv effektetthet på 1.71 W/cm3 for den kubeformede enheten som måler 8.2 x 8.4 x 8.5 mm. Som figur 3 viser, skjuler MTU1 s RoHS-kompatible kapsling en patentsøkt, åpen konstruksjon under det UL 94V-0 spesifiserte pakkematerialet. Design for produksjon oppnår MSL1
Et viktig poeng er at MTU1s kompositthus i motsetning til mange plastinnkapslede pakker som industristandard komponenter bruker har nivå 1 rating for fuktfølsomhet (MSL1). Fuktabsorpsjon og fuktholdighet er et stort problem for mange overflatemonterte komponenter, ettersom det kan generere store materialspenninger når komponenten utsettes for en rask og høy temperaturstigning, som for eksempel under blyfri loddeprosesser som kan nå temperaturer opp til 245 C. Den resulterende utgassingen kan lett ødelegge komponenten, og er generelt kjent som popcorn cracking. Som et resultat av dette har komponentprodusentene begynt å klassifisere fuktfølsomheten i komponentene deres etter en skala som IPC/JEDEC J-STD-20 rangerer fra 1 til 6, der en MSL1 rating betyr at komponenten er immun mot popcorn cracking, uavhengig av om den er eksponert for fukt. MTU1 s pakkedesign unngår forhåndsbakingsprosedyrene som mange komponenter med lavere rating enn MSL1 rutinemessig gjennomgår og som kan påvirke loddbarheten negativt. En viktig ting er også at komponenter med MSL1 rating ikke krever kostbare håndterings- og lagringsforanstaltninger. Videre er MTU1 s åpne konstruksjon designet for å kunne omsmeltes trygt under lodding og motvirke tendenser til interne loddebroer, mens kubens slette overflate gjør det enkelt for standard vakuumbaserte plukk-og-plasser nozzler å håndtere den.
Figur 3. MTU1 s kubelignende pakke oppnår MSL1 og forenkler automatisert sammenstilling.