Изолированные преобразователи мощности серии μModule

Электрические компоненты соединяются с земляной шиной на печатной плате в разных точках, что связано с определенными физическими ограничениями. В результате на земляной шине в местах соединения компонентов создаются участки с разными электрическими потенциалами, что ведет к появлению на печатной плате паразитных токов. Наведенные электромагнитные помехи, связанные с работой мощных двигателей, насосов, импульсных регуляторов и цифровых процессоров, для которых характерны быстрые изменения мощности, часто приводящие к скачкам по току в несколько десятков ампер, также усугубляют проблемы, вызванные земляными петлями (см. рис.1).

Рис. 1. Развязка силовых и земляных шин чувствительных преобразователей данных, усилителей и источников опорных сигналов от других мощных устройств с высокими рабочими токами позволяет улучшить разрешение сигналов и надежность

Помехи по земляной шине могут привести к значительному снижению точности измерений. Потенциал заземления в точке расположения измерительного датчика может не совпадать с потенциалом заземления в месте расположения АЦП, преобразующего аналоговый сигнал в цифровой. В результате полученный цифровой сигнал будет иметь  некоторое смещение по напряжению, пропорциональное разности двух потенциалов заземления. Теоретически это смещение можно компенсировать, добавляя некоторое напряжение на сигнальном процессоре. Однако величина этого смещения постоянно меняется, что связано с непрерывным изменением потребления тока соседними устройствами. Обеспечить точную компенсацию очень сложно. Наиболее перспективным методом решения проблем заземления является гальваническая развязка, к тому же она обеспечивает защиту от потенциально опасных всплесков по шине питания и коротких замыканий далее расположенных устройств.

Разделение больших схем систем управления на не­сколь­ко меньших гальванически развязанных частей — это перспективная стратегия защиты компонентов от выхода из строя из-за электрических перегрузок. Галь­ва­ни­ческий барьер предотвращает перенос любых электрически заряженных частиц, при этом связь между отдельными частями схем осуществляется за счет оптических, беспроводных, емкостных или магнитных способов передачи сигналов. Любые помехи по шине питания и/или шине земли могут легко вывести из строя маломощные 5-В (и менее) измерительные устройства, состоящие из АЦП, усилителей, источников опорных сигналов и датчиков, суммарная мощность потребления которых в зависимости от рабочих условий не превышает 1 Вт.
В качестве предупредительной меры для защиты таких устройств используется гальваническая развязка с электрической прочностью изоляции 500 В переменного тока (или ≈710 В постоянного тока), не допускающая, чтобы входное напряжение питания превышало номинальные значения напряжений (их абсолютный максимум) используемых электронных компонентов. В случае аварийной ситуации из строя выходит не вся система управления, а лишь ее небольшая часть или секция. В дополнение к этому производится минимизация помех по земляной шине, что будет рассматриваться в следующем разделе. Вышедшие из строя подсекции могут быть заменены на запасные или купленные стандартные серийно выпускаемые блоки, что ускоряет и облегчает процесс восстановления всей системы.

В изолированных преобразователях мощности  создается электрический барьер между зашумленной первичной цепью с большими токами и слаботочными секциями системы с чистыми и более стабильными шинами заземления, не ухудшающий качества сигнала. Изолированные 2-Вт DC/DC-преобразователи обеспечивают удовлетворительное питание одного или более измерительных устройств, состоящих из АЦП, усилителя, источника опорных сигналов и датчика (см. рис. 2).

Рис. 2. Диапазоны потребления мощности компонентами измерительного устройства, состоящего из АЦП, усилителя, источника опорных сигналов и датчика. Суммарное потребление мощности менее 1 Вт

Если изолированные части будут потреблять более 2 Вт, могут начаться проблемы, связанные с земляными петлями, которые для систем с гальванической развязкой являются основными. Более того, при усложнении изолированных частей, дополнительные провода и внутренние дорожки на печатных платах становятся более восприимчивыми к электрическим помехам, например, к электромагнитным излучениям, генерируемым соседними электронными устройствами.
Если обеспечить стабильность шин заземления, защищенных гальванической развязкой, можно добиться более высокой точности измерительных устройств, что повышает качество всей системы управления. Повышение точности за счет использования гальванической развязки может быть сравнимо с повышением точности при замене АЦП на АЦП с большим разрешением.

Традиционные преобразователи мощности с гальванической развязкой на 500 В переменного тока (или ~710 В постоянного тока) не могут использоваться во всех промышленных и коммерческих приложениях. Многие из них имеют ограничения по максимальной внутренней рабочей температуре, которая не должна превышать 85°C. С учетом внутренних потерь мощности и потерь мощности на переходном тепловом сопротивлении выходная мощность традиционных преобразователей может начинать снижаться в диапазоне температур 50…65°C, оставляя очень небольшой температурный запас. Системы охлаждения могут оказать некоторую помощь, однако они ухудшают такие параметры как цена, размеры и надежность.
Многие изолированные устройства требуют поддержания ±10% точности входных напряжений (12 или 24 В), чего невозможно достичь с помощью нерегулируемых источников питания или промышленных Li-Ion батарей, допустимый диапазон разброса напряжений которых варьируется от ±12 до 14%. Поскольку традиционные изолированные преобразователи выдают в основном фиксированные выходные напряжения 3,3 и 5 В, они не в состоянии сгладить перепады напряжений 0,1 В и более, возникающие от внешних источников опорных сигналов на 3,3 или 5 В, либо от LDO-регуляторов с аналогичными выходными напряжениями.  LDO-регуляторы могут использоваться для уменьшения колебаний входной мощности, что важно для работы АЦП.
Система управления становится более сложной, поэтому для поддержания большего количества сигнальных каналов и повышения информативности системы необходимо использовать дополнительные  изолированные измерительные секции. В то же самое время существуют ограничения по размерам печатных плат, что заставляет разработчиков снижать размеры секций для повышения функциональности системы при одновременном снижении ее габаритов. Усовершенствование изолированных DC/DC- преобразователей мощности идет именно в этом направлении.
Ограничения традиционных изолированных преобразователей:
– максимальная внутренняя рабочая температура (85°C) ограничивает выходную мощность;
– их нельзя использовать в высокотемпературных промышленных системах;
– требование ±10% точности входного напряжения не оставляет  возможности использовать нерегулируемые источники питания и батареи с ±14% изменением напряжения в течение всего их срока службы;
– внутренняя фиксация выходных напряжений не позволяет сглаживать перепады напряжений от источников опорных сигналов на 3,3/5 В или LDO-регуляторов.
Новые преобразователи мощности с гальванической развязкой на 500 В переменного тока (или ~710 В постоянного тока)
Преобразователь мощности серии μModule^® с гальванической развязкой на 500 В переменного тока (или ~710 В постоянного тока) LTM8048 свободен от перечисленных ограничений. Такой преобразователь, рассчитанный на выходную мощность 1,5 Вт, состоит из силового ключа, контроллера, трансформатора и цепи компенсации. Он размещается в BGA-корпусе размером 9×11,25×4,92 мм и требует применения нескольких внешних компонентов (см. рис. 3).

Рис. 3. Типовое применение LTM8048

По сравнению с традиционными изолированными преобразователями данный преобразователь имеет преимущества по рабочей температуре, а также по диапазону входных и выходных напряжений. Он гарантированно работает при внутренней температуре до 125°C. LTM8048 с номинальной мощностью 1,5 Вт хорошо подходит для использования в промышленных и коммерческих приложениях, например, в системах управления турбинами, батареями, а также в системах безопасности.
Широкий диапазон входных напряжений (3,1…32 В) позволяет запитывать LTM8048 непосредственно от менее дорогих нерегулируемых источников питания или от батарейных блоков. Более того, входное напряжение первичной цепи преобразователя может быть выше, равно или ниже заданного выходного напряжения во вторичной цепи.
Внутренний LDO-регулятор обеспечивает любое выходное напряжение в диапазоне 1,2…12 В, подстройка которого осуществляется с помощью соответствующего резистора, расположенного между выводом обратной связи LTM8048 и точкой заземления вторичной цепи. Колебания выходного напряжения не превышают 1 мВ, что обеспечивает достаточную стабильность шины питания, необходимую для получения точных и воспроизводимых результатов измерения АЦП и аналоговых датчиков. Внутренний гальванический барьер на 725 В (DC) обеспечивает гарантированную 100-% защиту цепей с требованиями по гальванической развязке на 500 В переменного тока (или ~710 В постоянного тока).

LTM8048, рассчитанный на выходную мощность до 1,5 Вт, характеризуется  малыми значениями входной и выходной емкости и состоит из обратноходового контроллера, силового ключа, развязывающего трансформатора, обеспечивающего гальванический барьер 725 В (DC), компенсационной цепи и линейного регулятора с малыми выходными пульсациями  (см. рис. 4).  Архитектура контроллера и контур обратной связи по напряжению позволяют LTM8048 создавать во вторичной цепи выходное напряжение, которое может быть выше, ниже или равно входному напряжению.

Рис. 4. Структурная схема LTM8048

В некоторых ИС изолированных контроллеров используются оптроны или дополнительные обмотки трансформатора для организации контура обратной связи по напряжению. Но оптронные схемы потребляют выходную мощность, а дополнительные компоненты увеличивают стоимость и физические размеры источников питания. Более того, оптроны из-за ограниченных динамических характеристик, нелинейности, разброса параметров и их изменения в процессе эксплуатации могут создавать дополнительные проблемы.
Использование дополнительных обмоток трансформатора ведет к увеличению физических размеров трансформатора и увеличению его стоимости. К тому же, такие схемы часто характеризуются весьма посредственными динамическими характеристиками. В отличие от них в LTM8048 контур управления отслеживает напряжение во вторичной цепи и производит переключение ключа в первичной цепи трансформатора в момент, когда ток во вторичной цепи близок к нулю. Такой подход к регулированию позволяет LTM8048 поддерживать широкий диапазон выходных напряжений во вторичной цепи. Выбор выходного напряжения осуществляется путем подключения соответствующего резистора.
Цикл переключения начинается с открытия внутреннего ключа. Ток через катушку индуктивности растет до тех пор, пока не достигается внутренне установленный предел по току. Напряжение на силовом ключе увеличивается до значения, определяемого выходным напряжением, деленным на отношение витков вторичной и первичной обмоток трансформатора, плюс величиной входного напряжения. Когда ток во вторичной цепи через диод падает до нуля, напряжение на силовом ключе становится ниже напряжения V_IN. В режиме прерывистого тока (DCM) компаратор детектирует это событие и запирает ключ. Следовательно, в таких преобразователях могут использоваться трансформаторы меньших размеров, но при этом они должны работать в режиме прерывистого тока.
Внутренний линейный регулятор с низкими выходными пульсациями, стоящий во вторичной цепи, обеспечивает стабильность напряжения на шине питания, необходимую для работы прецизионных АЦП и усилителей с малым смещением. При добавлении в схему дополнительного развязывающего конденсатора номиналом 0,01 мкФ пиковые пульсации выходного напряжения снижаются до уровня менее 1 мВ, а их среднеквадратичные значения в частотном диапазоне 10 Гц…100 кГц составляют 20 мкВ (см. рис. 5). Кроме того такой развязывающий конденсатор улучшает переходные характеристики регулятора. Точность выходного напряжения во всем температурном диапазоне составляет ±2,5%. Линейные регуляторы защищены от переполюсовки входного и выходного напряжений.
Технические усовершенствования позволили разработать компактный развязывающий трансформатор с гальваническим барьером 725 В (DC), с помощью которого удалось создать изолированный преобразователь мощности серии μModule^® LTM8048 с меньшими габаритами по сравнению с остальными решениями.  Этот модуль прошел тестирование на 100%, когда на него подавалось напряжение 725 В обеих полярностей на 1 с.

Рис. 5. Пульсации выходного напряжения

Для подтверждения стабильности работы преобразователя в самых критичных условиях  LTM8048 был подвергнут суровым испытаниям по надежности (определение срока службы, реакции на тепловой удар). Оценивалось также  поведение устройства при циклическом изменении температуры, а кроме того проводились испытания на вибростенде. Расширенный отчет о результатах был размещен в интернете, из него следует, что во время испытаний не было зафиксировано ни одного выхода устройств из строя. BGA-корпус LTM8048 хорошо подходит для использования в электронных устройствах, предназначенных для работы в условиях высокой вибрации. Более того, каждый преобразователь LTM8048 проходит расширенное тестирование в экстремальном диапазоне рабочих температур. Особое внимание при этом уделялось работе при отрицательных температурах вплоть до –55°C.

Использование гальванической развязки является надежным методом защиты и обеспечения точности маломощных измерительных устройств, в состав которых входят АЦП, источники опорных сигналов, усилители и датчики, работа которых, в свою очередь, во многом  зависит от помех по шинам питания и заземления. При работе систем управления очень критичным условием является обеспечение корректного и надежного сбора данных.
В большинстве случаев суммарное потребление мощности современных измерительных устройств не превышает 1 Вт. Хотя в традиционных маломощных DC/DC-пре­об­ра­зо­вателях с гальванической развязкой реализован надежный и эффективный барьер, они все же имеют ограничения по диапазонам входных и выходных напряжений, по максимальной рабочей температуре и размерам.
Новый 1,5-Вт изолированный преобразователь мощности серии μModule^® характеризуется  расширенными возможностями применения и имеет преимущества по диапазонам входных и выходных напряжений и рабочим температурам. Это компактный вариант решения, реализованного при помощи поверхностного монтажа. Теперь для разработчиков, которым необходим  изолированный преобразователь мощности, обеспечивающий гальванический барьер 725 В (DC), доступно еще одно универсальное и компактное решение.