Nye teknikker - bedre DC-DC-omformere

DC-DC-omformere brukes i mange applikasjoner: telekommunikasjon, datakommunikasjon, test og måling, prosesstyring, halvlederproduksjon, industriell produksjon, medisinsk utstyr og batteridrevet utstyr. De er en enkel måte å utlede ytterligere laveffektutganger fra en AC-DC-strømforsyning med høyere effekt, f.eks. en 24V utgang som driver motorer, releer eller pumper. Alternativt, hvis systemet drives av et 12V batteri, kan DC-DC-omformere gi stabile, regulerte spenninger under batteriets lade- og utladingssykluser. For å fungere må regulatorer, logiske kretser og integrerte kretser ofte leveres med enkle eller doble 3,3V, 5V, 12V og 15V utganger.

Dramatisk reduksjon

Størrelsesreduksjonen på isolerte DC-DC-omformere har vært dramatisk de siste tiårene. På 1970-tallet målte en 1,5 W omformer for montering på et trykt kretskort 45 x 30,5 x 16,5 mm (22,646 mm3). I 2020 er referanseverdien for en 3W-omformer 1 642 mm3. I gjennomsnitt har strømtettheten til DC-DC-omformere doblet seg hvert 10. år.

Nye topologier

Dette skyldes først og fremst store effektivitetsforbedringer ettersom nye topologier og teknikker er blitt utviklet. Dette dreier seg bl.a. på broløs likeretting, bruk av høyeffektive GaN-enheter (galliumnitrid), synkron likeretting og digital styring. Ferrittmaterialer med lavt tap har tillatt transformatorer og induktorer å bli dramatisk redusert i størrelse. Mange høyytelses DC-DC-modeller med høy effekt bruker nå integrerte kobberspor på et flerlags mønsterkort som viklinger. Dette eliminerer de tradisjonelle trådviklede spolekonstruksjonene og ferrittkjernene er enkelt montert på hver side av kretskortet.

Mindre kjøleprofiler

Høyere effektivitet reduserer mengden strøm som går tapt i forsyningen. Kjøleprofiler kan derfor gjøres mindre eller helt fjernes ved å overflatemontere krafthalvlederne direkte på kretskortet. Plater med flere lag med glassepoksykonstruksjon er blitt erstattet av isolerte metallsubstratmaterialer (IMS). Kobberbaner er festet til en aluminiumsplate med et høydielektrisk isolerende lim. Denne aluminiumsplaten kan deretter monteres på en kjøleribbe eller på en kald plate for konveksjon eller vannkjøling for å fjerne varmen fra omformeren.

Tettere komponenter

Med en mer nøyaktig overflatemontering kan passive deler plasseres nærmere hverandre. Det kan benyttes mindre komponentpakkeformater med motstander og MLCC (flerlags keramiske kondensatorer) så små som 0603 (0,6 x 0,3 mm). Ultrasmå halvlederpakker er egnet for signal- dioder og transistorer.

Fysiske begrensninger

Noen aspekter ved produktdesign har fysiske begrensninger. De internasjonale sikkerhetsorganene og sertifiseringene setter krav til avstanden mellom inngangs- og utgangsterminalene på omformeren. Disse avstandene avhenger av isolasjonsspenningen og øker tilsvarende. Som forventet er den medisinske sikkerhetsstandarden IEC 60601-1 strengere enn IEC 62368-1 for informasjonsteknologi og audio/visuelle produkter.

Simulering

Under forskning og -utvikling av produkter brukes datasimulering i stor grad. 3D datastøttet design brukes til å bestemme den optimale plasseringen av komponenter. Termisk modellering kan nøyaktig forutsi temperaturøkninger. Selv den magnetiske flukstettheten til transformatoren kan bestemmes på forhånd for forskjellige ferrittkjerneformer.

Distribuert strømforsyning

Kostnader og teknologiske forbedringer i data- og telekommunikasjonssystemer har endret måten DC-DC-omformere brukes på og hvilke produkter som trengs. Dette har resultert i bruk av nye typer distribuerte strømforsyningsarkitekturer (DPA) i løpet av de siste to tiårene. Forsyningsspenningen for ASICer, FPGAer og andre mikroprosessorer har sunket fra 5 V til mindre enn 1 V. Opprinnelig forsynte 24V og 48Vdc AC-DC-strømforsyninger isolerte DC-DC-omformere. Nå er mange av dem erstattet av svært billige, ikke-isolerte Point of Load (PoL)-omformere, som er plassert ved siden av prosessorer som krever svært rask transientrespons.

PoL

Mange datakommunikasjons- og datasystemer bruker nå en 12V AC-DC strømforsyning, og PoL-ene har store inngangsområder som kan operere fra enten 5V eller 12Vdc. Ikke-isolerte DC-DC-omformere kan brukes siden den primære-sekundære sikkerhetsbarrieren er plassert i AC-DC-strømforsyningen. Dette gjelder også medisinske applikasjoner.

Egenutvikling eller standard?

Produsentene av ICer for styring av strømforsyninger har utviklet produkter som kortdesignere kan bruke til å lage sine egne ikke-isolerte DC-DC-omformere. De store kundene har satt opp spesialiserte utviklingsteam for strømforsyninger, som er kjent med teknologiene. Noen strømforsyningsprodusenter har utviklet IC-regulatorer som kan brukes til å designe innebygde DC-DC-omformere. Under visse omstendigheter ser dette ut til å være en ideell måte å redusere størrelsen på omformeren og spare kostnader. Men når nødvendige eksterne induktorer og keramiske flerlagskondensatorer er tatt med, er kortets plass og kostnad faktisk større enn en fullt integrert standard DC-DC-omformer. Systemingeniøren må også designe mønsterkort og utføre "4-hjørner" testing - ved lave og høye temperaturer og ved en rekke belastningsforhold. Mange ingeniører er klar over at kapasitansen kan endre seg med temperaturen, men få vet at kapasitansen kan variere betydelig med driftsspenningen.

Nye produkter

Det er nylig blitt lansert ikke-isolerte DC-DC-omformere med høyere effekt. Dette er enten buck-omformere (step-down), hvor utgangsspenningen må være lavere enn inngangsspenningen, eller buck-boost-omformere, hvor utgangsspenningen kan være høyere eller lavere enn inngangsspenningen. Blant de betydelige fordelene med disse omformerne er et veldig bredt inngangsspenningsområde, ekstremt høy effektivitet (opptil 98,5%), lave kostnader på grunn av deres enkelhet og svært kompakte størrelser på grunn av lave interne varmetap. TDKLambdas nye i7C-buck-omformer med 1/16-kloss størrelse, kan f.eks. levere opptil 750 W med et inngangsområde fra 18 til 60 V.

Integrering i laminat

Nylig har en ny konstruksjonsmåte dukket opp på DC-DC-markedet - SESUB (Semiconductor Embedded in SUBstrate). Den tilbyr en integrert løsning som inkluderer krafthalvleder og induktor i et veldig kompakt produkt. ICen er integrert i laminatet, slik at induktoren (den største eksterne komponenten) kan plasseres over den. Gjennom I2C-kommunikasjon er enheten fullt konfigurerbar og egnet for et bredt spekter av applikasjoner, inkludert høyytelses Power Management Units (PMU) for smarttelefoner samt Bluetooth-moduler. En 3,3 x 3,3 x 1,5 mm stor modul kan levere opptil 6A utgangsstrøm.

Robotisering

DC-DC-teknologi har også blitt brukt gjennom hele produksjons- og forsyningskjeden, ikke bare med SESUB-enheter. Med 100 % overflatemonterte komponenter tillater robotmontering kontinuerlig produksjon 24 timer i døgnet. Bare én produksjonslinje har kapasitet til å produsere nesten 5 000 000 enheter per år. En meget høy grad av automatisering har gjort det mulig å lokalisere produksjon i flere land, nær de største kundene. Dette reduserer transporttiden til kundenes fabrikker, noe som reduserer produktleveringstiden og behovet for å holde bufferlagre for å spare kostnader.

Bredt inngangsområde – færre varianter

Innganger med bredt inngangsspenningsområde er nå ganske vanlig, noe som reduserer antall enheter på lager (SKU) og dermed lagerbeholdninger. Dobling av inngangsområdet til 4:1 betyr at kun 3 modeller kan dekke et område på 4,5 til 76 V. Dette reduserer antall modeller som skal monteres og lagerføres, både for distributøren og kunden. En ny modell kan erstatte en versjon med 5V og en versjon med 12V nominell inngang. Det er mulig å oppnå mye større innsatsområder, men dette medfører reduksjon i effektivitet (og størrelse) og kostnadsøkning.

Inspeksjon under montering

Mange DC-DC omformere har overflatemonterte deler som er montert under (den større) strømtransformatoren i en tredimensjonal struktur. Dette forhindrer det automatiserte inspeksjonsutstyret i å kontrollere integriteten til loddeforbindelsene. De nye produksjonslinjene ved TDKLambdas fabrikker inkluderer nå et høyhastighets røntgensystem som er i stand til å ta bilder fra flere vinkler og lage 3D-bilder. Disse bildene av loddeforbindelsene blir deretter analysert av en datamaskin for å finne ut om prosessen er riktig.

Ikke såå kjedelig, nei

Utenforstående som ikke er kjent med elektronikkindustrien kommenterer ofte at strømforsyninger ikke er særlig spennende. Men det er faktisk slik at digital styring, høyt teknologisk nivå og nye produksjonsteknikker holder strømforsyningsmarkedet på nivå med og til og med foran kravene fra elektronikkindustrien.