Usar convertidores CC-CC aislados con transformadores incorporados para facilitar el montaje

En el afán de reducir el coste y el espacio, los convertidores monolíticos CC-CC son una buena solución para muchas aplicaciones de gran volumen, pero no se pueden utilizar en diseños que requieran el aislamiento eléctrico de la entrada de la fuente de alimentación de la salida. Los dispositivos médicos son un buen ejemplo. Normalmente, en su lugar se pueden utilizar suministros aislados montados en una placa, pero estos dependen de un transformador para lograr el aislamiento eléctrico necesario, con lo que se reduce la eficiencia y aumenta el costo, el tamaño y el peso de la solución. El transformador también introduce variabilidad en el rendimiento del convertidor CC-CC y dificulta el ensamblaje automatizado de gran volumen.

Para abordar muchos de estos desafíos, los diseñadores pueden recurrir a módulos convertidores CC-CC aislados que tienen el transformador incrustado en el sustrato del convertidor.

Este artículo explica las circunstancias que requieren el uso de convertidores CC-CC aislados. A continuación, presenta soluciones de ejemplo de Murata Electronics y muestra cómo pueden utilizarse para lograr el aislamiento sin los importantes compromisos de diseño típicamente asociados con los convertidores CC-CC aislados basados en transformadores. El artículo también describe cómo el paquete del convertidor satisface la necesidad de un montaje superficial automatizado de alto nivel, y muestra cómo diseñar los convertidores CC-CC aislados en productos con un mínimo de voltaje y rizado de corriente y una reducción de la interferencia electromagnética (EMI).

Cuándo usar un convertidor aislado

En un convertidor convencional CC-CC, un solo circuito regulador permite que la corriente fluya directamente de la entrada a la salida. Esto reduce la complejidad, el tamaño y el precio. Sin embargo, hay muchas aplicaciones que requieren un aislamiento galvánico (en adelante denominado simplemente "aislamiento") para separar eléctricamente los lados de entrada y de salida del dispositivo. Por ejemplo, los requisitos de seguridad pueden dictar el uso de un convertidor CC-CC aislado, utilizando un transformador (o en algunos casos inductores acoplados) para transferir el voltaje y la corriente a través de la brecha entre los lados de entrada y de salida, particularmente si el lado de entrada está conectado a voltajes que son lo suficientemente altos como para poner en peligro a los humanos. Los convertidores CC-CC aislados también son útiles para romper los bucles de tierra, separando así las partes de un circuito que son sensibles al ruido de las fuentes de ese ruido (Figura 1).

Figura 1: Un convertidor CC-CC básico no aislado (arriba) comparado con una versión aislada (abajo) usando un transformador para aislamiento galvánico. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Otra característica de un convertidor CC-CC aislado es una salida flotante. Aunque tales convertidores suministran un voltaje fijo entre los terminales de salida, no presentan un voltaje definido o fijo relativo a los niveles de voltaje en los circuitos de los que han sido aislados (es decir, están "flotando"). Existe la opción de conectar la salida flotante de un convertidor CC-CC aislado a un nodo del circuito del lado de la salida para fijar su voltaje, lo que permite entonces que la salida se desplace o invierta con respecto a otro punto situado en el circuito del lado de la salida. Debido a la separación de los circuitos de entrada y salida, el diseñador debe asegurarse de que ambos circuitos tengan sus propias referencias de tierra.

La hoja de datos de un determinado convertidor CC-CC normalmente enumera su voltaje de aislamiento, el máximo que puede aplicarse durante un tiempo definido (corto) sin que la corriente tienda un puente sobre la brecha. Además, la hoja de datos detalla el máximo voltaje de operación que puede ser soportado continuamente sin romper el aislamiento.

El aislamiento trae consigo algunas compensaciones. En primer lugar, los convertidores aislados tienden a ser más caros porque el transformador (generalmente personalizado) es más caro que el inductor equivalente (de venta en tiendas) utilizado en la versión no aislada. Cuanto mayor sea el aislamiento requerido, mayor será el costo.

En segundo lugar, los convertidores CC-CC aislados tienden a ser más grandes que las versiones no aisladas; el transformador es generalmente más grande que el inductor equivalente y el inductor tiende a funcionar a frecuencias de conmutación más altas, reduciendo aún más su tamaño en comparación con el transformador.

En tercer lugar, la eficiencia, la regulación y la repetibilidad del rendimiento de componente a componente de los convertidores CC-CC aislados tiende a ser inferior a la de los convertidores no aislados. El transformador introduce algunas ineficiencias en comparación con un inductor, y la barrera de aislamiento impide que la salida sea detectada directamente y controlada estrechamente para una mejor regulación y rendimiento transitorio. Debido a que son más pequeños, los convertidores CC-CC no aislados pueden colocarse cerca de la carga para reducir los efectos de la línea de transmisión y aumentar aún más la eficiencia. Además, como el transformador en los convertidores aislados es generalmente un dispositivo fabricado a medida, no hay dos dispositivos que proporcionen exactamente la misma salida.

Por último, ese transformador también puede obstaculizar un eficiente proceso de ensamblaje de alto volumen. El perfil del convertidor CC-CC aislado con un transformador lo hace inapropiado para el montaje automatizado, dictando que tiene que ser añadido a la PCB a mano.

Selección de convertidor CC-CC aislado

Si la aplicación del diseñador exige aislamiento por seguridad u otras razones, entonces las compensaciones descritas anteriormente tienen que ser acomodadas. La investigación diligente de los componentes puede revelar algunas soluciones más nuevas que han sido diseñadas para minimizar el impacto de los compromisos de diseño.

Por ejemplo, Murata ha introducido recientemente sus convertidores CC-CC aislados en serie NXE (Figura 2) y NXJ2. Estos están diseñados para abordar algunos de los desafíos tradicionales que presentan los convertidores CC-CC aislados.

Figura 2: Los convertidores CC-CC aislados NXJ2 y NXE (mostrados) de Murata incluyen un transformador incrustado en el sustrato de los componentes para reducir el tamaño del producto. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

La serie NXE ofrece hasta 2 vatios con opciones de entrada de 5 y 12 voltios y opciones de salida de 5, 12 y 15 voltios. La corriente de entrada y salida varía con el voltaje, pero va desde 542 miliamperios (mA) de entrada/400 mA de salida para el producto de 5/5 voltios hasta 205/133 mA para el producto de 12/15 voltios. La gama de productos incluye frecuencias de conmutación de 100 a 130 kilohercios (kHz) según el modelo.

Del mismo modo, la serie NXJ2 es un diseño de 2 vatios con opciones de entrada de 5, 12 y 24 voltios y opciones de salida de 5, 12 y 15 voltios. La corriente de entrada y salida va desde 550 mA de entrada/400 mA de salida para el producto de 5/5 voltios hasta 105/133 mA para el producto de 24/15 voltios. Los productos presentan frecuencias de conmutación de 95 a 140 kHz.

Los convertidores CC-CC aislados de Murata abordan los retos de la fabricación automatizada incrustando el transformador en el sustrato del dispositivo. El transformador se forma a partir de capas alternas de FR4 -el laminado epoxídico reforzado con vidrio que se utiliza a menudo como base para las placas de circuitos impresos- y de cobre para crear los bobinados alrededor del núcleo incrustado. Se afirma que la construcción del transformador incorporado ayuda a la disipación del calor y mejora la repetibilidad del rendimiento entre los componentes.

El resultado es un paquete de bajo perfil (menos de 4.5 milímetros (mm)), compacto (15.9 x 11.5 mm para las versiones de 5 y 12 voltios y 16 por 14.5 mm para la versión de 24 voltios) adecuado para el envasado con cinta y carrete, capaz de ser recogido por la boquilla de vacío de una máquina de colocación automática (Figura 3).

Figura 3: Los convertidores CC-CC aislados NXE están alojados en un paquete compacto que puede ser alimentado con cinta y carrete y colocado en la placa de la PC por un equipo de montaje automatizado. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

El diseño del transformador incorporado da como resultado un buen rendimiento eléctrico comparado con otros diseños aislados. Los convertidores CC-CC aislados suelen funcionar en el rango de eficiencia del 55 al 85 % cuando están a plena carga. La serie NXE y la serie NXJ2 tienen una eficiencia de alrededor del 72 % bajo una carga del 100 % con una salida de 5 voltios, subiendo al 76 % de eficiencia para una salida de 15 voltios, y al 78 % de eficiencia para una salida de 24 voltios.

Los convertidores CC-CC aislados generalmente carecen de la regulación precisa típica de los productos no aislados porque no tienen un bucle de retroalimentación eléctrica entre la salida y la entrada. Para la serie NXE, la regulación de la línea es del 1.15 %/% y la regulación de la carga está entre el 7 y el 11 %. La regulación de la línea del NXJ2 es del tipo 1 %/% para la entrada de 24 voltios y del tipo 1.1 %/% para todos los demás tipos de entrada. La precisión del punto de ajuste del voltaje depende de la corriente de carga de salida y del dispositivo NXE o NXJ2 seleccionado. Por ejemplo, la solución NXE2S1215MC 12 voltios de entrada/15 voltios de salida exhibe una variación de -2 a -6% contra el punto de ajuste en la corriente de carga de salida completa (Figura 4).

Figura 4: Los convertidores CC-CC aislados carecen de la regulación precisa típica de los convertidores CC-CC no aislados. La precisión del punto de ajuste del voltaje varía dependiendo de la corriente de carga de salida. El ejemplo aquí muestra la precisión del voltaje de salida contra el punto de ajuste para diferentes cargas para el NXE2S1215MC, el convertidor aislado CC-CC de 12 voltios de entrada/15 voltios de salida de Murata. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Entendiendo las especificaciones

La separación eléctrica entre la entrada y la salida suele ser un requisito reglamentario, por lo que es importante que el ingeniero tenga claro qué reglamentos exigen para un determinado diseño. Esto puede ser difícil porque la información puede ser confusa.

Por ejemplo, las normas reglamentarias especifican por separado el aislamiento necesario para un componente y el aislamiento necesario para un producto final, y es diferente para cada uno. Así, por ejemplo, la hoja de especificaciones para un componente podría establecer que el dispositivo puede soportar un voltaje de prueba de aislamiento de 2.5 a 5 kilovoltios CA y que se adhiere a la norma producto IEC 60950-1, cuando lo que es más importante para el diseñador es que el voltaje de trabajo del aislador es, por ejemplo, de 150 a 600 voltios CA y que se adhiere a la norma de componentes IEC 60747-5-5.

También hay que tener cuidado con la terminología utilizada para describir los niveles de aislamiento. "Básico" es una sola capa de aislamiento y "Doble" es dos capas; "Reforzado" es un sistema de aislamiento único que equivale a Doble. Las normas asumen que un solo fallo puede ocurrir en una capa de aislamiento, por lo que un producto con una segunda capa de aislamiento seguirá ofreciendo protección. Es importante que cuando un componente se define como "Básico" en una norma de componentes, se clasifica como inadecuado para la protección de la seguridad.

Otro aspecto importante del rendimiento de aislamiento del componente es su despeje y fuga. El despeje es la distancia más corta entre dos circuitos componentes a través del aire, mientras que la fuga es la distancia más corta a través de una superficie.

La mejor manera en que un diseñador puede estar seguro del rendimiento de un aislante es verificar que un aislante tiene certificaciones de VDE y del Underwriters Laboratory (UL) y obtener una copia de los certificados reales del fabricante del aislante.

En el caso de las series NXE y NXJ2, donde el FR4 proporciona la barrera de insolación entre los devanados primario y secundario del convertidor, cada componente ha sido probado a 3 kilovoltios CC durante un segundo con calificación de muestras probadas a 3 kilovoltios CC durante un minuto. La resistencia de aislamiento se mide a 10 gigaohmios (GΩ) con un voltaje de prueba de 1 kilovoltio CC.

Las series NXE y NXJ2 están reconocidas por UL según ANSI/AAMI ES60601-1 y proporcionan un MOOP (Medio de Protección del Operador) basado en un voltaje de trabajo de 250 voltios rms máx., entre las bobinas primarias y secundarias. UL también reconoce los convertidores CC-CC según la norma UL 60950 para el aislamiento reforzado a una tensión de trabajo de 125 voltios rms. La fuga de los dispositivos es de 2.5 mm y el espacio libre es de 2 mm.

Disminución del rizado de salida y EMC

Los convertidores de voltaje de conmutación siempre conllevan desafíos de diseño relacionados con el rizado de voltaje y corriente generado por los elementos de conmutación. Los convertidores CC-CC aislados no son una excepción.

Sin circuitos de filtro de salida, la ondulación de salida típica de los convertidores CC-CC de NXE es de alrededor de 55 milivoltios (mV) de pico a pico (p-p) que se eleva a un máximo de 85 mVp-p. Los números correspondientes a la Serie NXJ2 son 70 mVp-p y 170 mVp-p. Si bien estos valores son aceptables para muchas aplicaciones, otras exigen una salida más estable.

El circuito de filtro de salida que se muestra en la figura 5 puede utilizarse para reducir drásticamente la corriente de salida y la ondulación del voltaje. Los valores del inductor (L) y del condensador (C) varían en función de las tensiones de entrada y salida del convertidor CC-CC; pero por ejemplo, el producto NXE2S1205MC de Murata (12 voltios de entrada/5 voltios de salida) requiere un inductor de 22 microhondas (µH) y un condensador de 10 microfaradios (µF). El efecto del circuito del filtro de salida es reducir el voltaje de salida y el rizado de la corriente a un máximo de 5 mVp-p.

Figura 5: Este simple circuito de filtro de salida con los valores L y C apropiados puede reducir la corriente de salida del convertidor CC-CC aislado y la ondulación del voltaje en un orden de magnitud. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Para obtener los mejores resultados, la resistencia en serie equivalente (ESR) del condensador debe ser lo más baja posible, y el voltaje nominal debe ser al menos dos veces el voltaje de salida nominal del convertidor aislado CC-CC. Para el inductor, la corriente nominal no debe ser menor que la de la salida del convertidor CC-CC. A la corriente nominal, la resistencia CC del inductor debe ser tal que la caída de tensión a través del inductor sea inferior al 2 por ciento de la tensión nominal del convertidor CC-CC.

Se puede añadir un circuito de filtro de entrada a las series NXE y NXJ2 para amortiguar la IEM como se muestra en la figura 6. Una vez más, los valores de L y C varían dependiendo de los voltajes de entrada y salida del convertidor CC-CC; pero por ejemplo, el producto NXE2S1215MC (entrada de 12 voltios/salida de 15 voltios) de Murata requiere un inductor de 22 µH y un condensador de 3,3 µF.

Figura 6: Este simple circuito de filtro de entrada con los valores L y C apropiados puede reducir las emisiones EMI del convertidor aislado CC-CC por debajo de las requeridas para cumplir con los límites de la norma EN 55022. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Como se muestra en la figura 7, el efecto del filtrado permite a los convertidores CC-CC aislados de Murata cumplir con el límite EMC cuasi-pico de la curva B de la EN 55022. Un dispositivo de radiación EMI debe mejorar estos límites para cumplir con la Directiva EMC de la UE 2014.

Figura 7: El efecto del circuito de filtro de entrada que se muestra en la Figura 6 es bajar las emisiones de EMI del convertidor aislado CC-CC (NXE2S1215MC, en este caso) por debajo de los límites exigidos por la Directiva EMC de la UE. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Para más información sobre el diseño de los circuitos de filtrado de los convertidores CC-CC, véase el artículo técnico de DigiKey, La selección de los condensadores es la clave para un buen diseño de los reguladores de voltaje.

Conclusión:

Los convertidores CC-CC aislados desempeñan un papel vital cuando las regulaciones o consideraciones de seguridad exigen la separación eléctrica de los voltajes de entrada y salida. Sin embargo, el aislamiento mediante un transformador puede traer consigo compromisos de diseño, sobre todo en lo que respecta al costo, el tamaño, la variabilidad del rendimiento y los problemas de montaje.

Los ingenieros deben ser conscientes de estos compromisos y diseñar los productos en consecuencia. Por ejemplo, los convertidores CC-CC aislados generalmente carecen del bucle de retroalimentación que permite la regulación precisa de los productos no aislados, por lo que los voltajes de salida pueden variar más ampliamente con la carga del punto de ajuste que con los últimos componentes.

Como se muestra, hay soluciones CC-CC que en lugar de utilizar un costoso y voluminoso transformador montado en una placa, utilizan capas alternas de FR4 y cobre para construir un transformador incrustado en el sustrato del convertidor. El resultado es un dispositivo compacto y menos costoso que muestra una mejor repetibilidad del rendimiento eléctrico de componente a componente y que puede ser manejado por una maquinaria de colocación automatizada. Estos convertidores CC-CC aislados también cumplen con las normas pertinentes para el aislamiento de alta tensión y las pruebas de aislamiento.