Изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь: что выбрать?

Взвесив еще раз все pro et contra касательно DC/DC-преобразователя и, как говорится, рассмотрев доводы сторон, мы пришли к однозначному выводу — выгоднее его купить. А чтобы купить именно то, что нам нужно, и не прогадать, нас должен, в первую очередь, интересовать определенный круг наиболее важных вопросов, большинство из которых весьма подробно рассмотрены в [2].

Хотя мелочей здесь нет, сведем проблему выбора DC/DC-преобразователя к нескольким понятным пунктам. Итак, что мы должны учесть:

1. Назначение изделия, для которого мы выбираем DC/DC-преобразователь, и перечень сопутствующих стандартов безопасности, электромагнитной совместимости вкупе с выполнением требований по защите окружающей среды.
2. Диапазон рабочих температур.
3. Необходимый диапазон входных напряжений.
4. Диапазон нагрузок по току.
5. Необходимое номинальное выходное напряжение (напряжения) во всем диапазоне нагрузок и приемлемую точность его (их) поддержания, не забыв при этом учесть реакцию на изменение нагрузки (так называемый сброс/наброс), которая, из-за особенности петли регулирования конкретного типа преобразователя, может вызвать недопустимый для нашего конечного изделия переходной процесс.
6. допустимую для нашего конечного решения площадь размещения преобразователя и максимальную высоту профиля, учитывая все необходимые для его конечной реализации элементы, т. е. рассматривать решение уже в виде законченного устройства.
7. Приемлемый уровень КПД во всем диапазоне нагрузок.
8. Надежность конечного решения DC/DC-преобра­зователя в реальных условиях эксплуатации.
9. Граничную цену конечного решения DC/DC-преобразователя и определение его поставщика.

Хотя сегодня на рынке предлагаются DC/DC-преобразователи, как говорится, на любой вкус, цвет и кошелек, для начала все сводится к основному вопросу: покупаем мы изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь. Чтобы ясно понимать, о чем идет речь, кратко поясним: изолированный преобразователь подразумевает, что его выход и вход не имеют гальванической связи и разделены изоляционным барьером с той или иной диэлектрической прочностью. Этот параметр указывает на устойчивость изоляционного барьера к приложенному между его входом и выходом напряжению и, в большинстве случаев, определяет возможную область применения устройства. Соответственно, неизолированный преобразователь не обеспечивает гальванической развязки между его входом и выходом, и этот факт также является определяющим для областей его применения. Все изложенное — это глобальные различия, которые определяют схемотехнические решения, электрические характеристики и даже конструктивное исполнение преобразователей.

Понятно, что все это влияет на стоимость указанных типов DC/DC-преобразователей. Ответственному разработчику здесь необходимо пользоваться одним полезным правилом. Его любил повторять Бенджамин Франклин — великий американский политический деятель, чей портрет украшает купюру в $100, дипломат, энциклопедист, писатель, журналист, издатель и изобретатель. Для справки: это он ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «–» и объяснил принцип действия лейденской банки, прародительницы всех современных конденсаторов, установив, что главную роль в ней играет диэлектрик, разделяющий ее токопроводящие обкладки. Он говорил: A penny saved is a penny gained («Сбереженный пенни — это заработанный пенни»), что очень хорошо описывает отношение к оптимизации стоимости конечного продукта.

Давайте более пристально взглянем с этой позиции на различия преобразователей (что поможет нам впоследствии), взвесив еще раз все pro et contra, и остановимся на нужном нам конкретном решении преобразователя для конкретного конечного устройства. То есть попробуем уйти от характерного для разработчиков искушения типа: «А давайте-ка поставим сюда вот это, оно мне нравится!». Знакомый веский аргумент, не так ли?

Если обратиться к ценовому аспекту, то в общем плане выигрывают неизолированные преобразователи, что связано с их природой. Однако это не касается корпусированных, полностью законченных решений с входными и выходными фильтрами, отвечающих жестким требованиям по электромагнитной совместимости и имеющих высокую механическую устойчивость. Здесь ценовые отличия в значительной степени нивелируются. Что касается топологии неизолированных преобразователей, то нам доступны повышающие, понижающие, повышающе-понижающие и инвертирующие топологии, которые уже стали классикой и описаны многократно. С некоторой доработкой, используя трансформатор, мы можем получить на базе неизолированных преобразователей решения с несколькими, чаще двумя, выходными напряжениями, причем одно из таких напряжений будет изолированное, что дает целый ряд преимуществ, свойственных их изолированным собратьям. Пример такого, не часто встречающегося в технической литературе и на практике решения приведен на рис. 1 [3].

Рис. 1. Пример топологии неизолированного DC/DC-преобразователя с двумя выходными напряжениями

Данная топология эффективна, но для относительно малых токов в дополнительной цепи. Автор статьи использовал ее на практике для формирования двух напряжений 3,3 В (3,5 А) и –12 В (0,250 мА) и использовал как часть системы питания ATX платы индустриального компьютера. Все это хорошо, но это не завершенное решение, которое можно купить в модульном исполнении. Самостоятельно же, как мы определили еще в начале статьи, делать что-либо преобразующее не выгодно — это и дорого, и долго, и результат не гарантирован, и нужно нанимать специалистов в этом вопросе, которых у нас может и не быть. Стоит отметить, что в виде неизолированных преобразователей, как правило, доступны только простейшие варианты, часть которых направлена на эффективную замену линейных стабилизаторов.

Что касается неизолированных преобразователей, они являются приемлемыми и оправданными для построения систем распределенного питания PoL (Point-of-Load), то есть тогда, когда нужно запитывать нагрузки в непосредственной близости их размещения, при небольших длинах шин промежуточного питания. Еще один из вариантов — это формирование питающих шин для плат небольших форм-факторов, где можно обойтись без разделения земель и, предпочтительно, нет гибридных решений, то есть там, где нет сочетания аналоговых и цифровых каскадов.

А что нам могут дать изолированные DC/DC-преобразователи? Для рядового разработчика, не очень вникающего в суть такой «мелочи», как DC/DC-преобразователь (что потом может ему аукнуться уже на завершающей стадии проекта), тем более в модульном исполнении, — это такой «черный ящик» с выводами, который просто выполняет нужную функцию, как тот же конденсатор или транзистор. Основная его функция — это создание соответствующего изоляционного барьера и выдача напряжения нужной мощности. Однако тут не все так просто и явно. Действительно, если вопрос упирается только в изоляционный барьер, как, например, это показано на примере использования изделий известной компании TRACO Electronic в медицинском оборудовании в [4], или в случае, когда по причине значительной удаленности от основного источника питания требуется разделение земель, то здесь выбора нет, и все ясно. Более сложный вопрос касается, например, телекоммуникационного оборудования и систем с распределенным питанием при длинных промежуточных шинах, а также оборудования с каскадами смещенного типа.

Что нам могут предложить изолированные DC/DC-преобразователи? Как говорил Сергей Капица в увлекательной передаче нашей молодости «Очевидное — невероятное», — «Вопрос, конечно, интересный». Для его раскрытия обратимся к практическим примерам, приведенным в [5]. Дело в том, что изолированные преобразователи могут в ряде случаев с успехом заменить неизолированные, дав нам целый ряд преимуществ, часто весьма существенных, которые упростят проектирование конечного изделия.

Поскольку изолированный DC/DC-преобразователь имеет плавающий выход, так как он не привязан к общему проводу или, как мы часто говорим, к земле. Точно так же можно считать, что имеет место и плавающий вход. Поэтому любой изолированный DC/DC-преобразователь может быть использован для того, чтобы инвертировать полярность напряжения шины питания. Если гальваническая развязка посредством изоляции не требуется, но имеется общая точка подключения, то любой выход может быть привязан к любому входу, а также к любому желаемому опорному напряжению. На рис. 2 [5] показаны две возможные конфигурации включения изолированного DC/DC-преобразователя для получения отрицательного напряжения на выходе из положительного напряжения на его входе, и наоборот. И если получить –15 В из +5 В можно и неизолированным DC/DC-преобразователем, то получить +5 В из –48 В уже не настолько и просто.

Рис. 2. Примеры преобразования полярности с использованием изолированного DC/DC-преобразователя

Существуют DC/DC-приложения, в которых гальваническая развязка через изоляцию не требуется, но требуется более высокое выходное напряжение, чем входное. В следующем примере, приведенном на рис. 3, показан удвоитель напряжения, выполненный на базе DC/DC-преобразователя, который продуцирует выходное напряжение, в два раза превышающее входное.

Рис. 3. Простой удвоитель напряжения

Преимущества здесь скрываются в, казалось бы, странном факте: если DC/DC-преобразователь рассчитан на мощность 15 Вт, то при выходном напряжении, равном 12 В, он обеспечит рабочий ток до 1,25 A. Тем не менее это выходное напряжение находится выше входного напряжения 12 В. Поэтому на нагрузку подается напряжение 24 В с током 1,25 A, то есть мы имеем общую мощность 30 Вт.

Как известно, преимущество понижающих импульсных DC/DC-преобразователей над линейными заключается в том что, они потребляют по входу меньший ток, чем тот, который отдают в нагрузку. Если нам необходимо максимально просто организовать внутренние шины питания от общей  промежуточной, причем с хорошим КПД и необходимой во многих случаях развязкой не только первичных, а и вторичных шин питания по землям, то лучше приведенного на рис. 4 варианта найти будет сложно, а если говорить прямо — невозможно.

Рис. 4. Блок питания с тремя выходными напряжениями, использующий DC/DC-преобразователи

И в заключение приведем еще один важный и полезный пример. Если вы имеете на плате «сборную солянку» из аналоговых и цифровых каскадов, которые, кроме того, имеют общую шину питания 5 В и землю (т. е., на первый взгляд, разделить это нельзя), то для аналоговых интегральных схем могут возникнуть проблемы, вызванные значительным уровнем высокочастотных помех от цепей, несущих цифровые сигналы. Это особенно заметно в измерительных, аудио- или видеоприложениях. Что касается общего заземления, то оно часто требуется там, где аналоговые и цифровые части схемы используют один и тот же общий источник сигнала. Это достаточно часто делает невозможным их полное гальваническое разделение.

На рис. 5 приведена, казалось бы, лишенная смысла схема, которая осуществляет преобразование входного напряжения 5 В в выходное, равное тем же 5 В, причем это зачем-то делает изолированный преобразователь в неизолированном включении. Причина, почему эта схема на самом деле имеет смысл, заключается в особенностях и технических характеристиках таких DC/DC-преобразователей. И она помогает решить проблему.

Рис. 5. Неизолированный преобразователь +5 В в +5 В постоянного тока для очистки шины +5 В

Суть решения заключается в том, что диапазон входного напряжения преобразователя составляет +5 В с некоторым уровнем неравномерности из флуктуаций и помех, а его выходное напряжение поддерживается на уровне 5 В ±0,8%, поэтому такой преобразователь будет очищать не только шумы и помехи, но и любые небольшие вариации напряжения по его входу, подавляя броски и переходные процессы, неизбежно возникающие в цифровых каскадах.

Подобная схема (рис. 5) использовалась автором в одном из серийных изделий специального назначения, в котором на одной предельно компактной печатной плате находились микроконтроллер с цифровыми каскадами, высокочувствительный усилитель и аналоговые фильтры высоких порядков. Решение показало очень высокую эффективность при работе с сигналами уровнем в доли милливольта.

И в завершение, если мы используем разделение по изоляции, например на уровне требований для телекоммуникационной аппаратуры, то стоит ли гнаться и использовать DC/DC-преобразователи с очень высокой устойчивостью изоляционного барьера? Если вы не стеснены в средствах и заказчик спокойно воспринимает ваш полет фантазии, то это ваше право, можно даже заказать преобразователь с инкрустацией, и, поверьте, вам его изготовят и поставят. Только ответственному разработчику лучше все же пользоваться правилом Бенджамина Франклина.

Как уже было сказано в начале статьи, разработчикам предлагается множество DC/DC-преобразователей от большого числа изготовителей. Здесь нужно помнить, что скупой платит дважды, и для ответственных изделий не вестись на сомнительные предложения с низкими ценами. Если вы думаете, что за одним и тем же наименованием скрывается одно и то же решение, то глубоко ошибаетесь. Реплика известного бренда может иметь такой же только внешний вид и название, но не содержимое. Наглядный пример приведен на рис. 6 [5].

Рис. 6. Рентгеновский снимок фрагмента импульсного стабилизатора известного бренда (изображение слева) и реплики этого продукта, выполненной его конкурентом (изображение справа)

Как мы смогли убедиться, DC/DC-преобразователи, имеющие одинаковые названия, могут иметь совершенно разное конструктивное наполнение. Вот почему в начале статьи среди важнейших вопросов был упомянут поиск надежного поставщика. Так что лучше и спокойнее иметь дело с известными брендами, тогда вы с уверенностью за свои деньги получите именно то изделие, которое выполнит все ваши требования, и вам не придется краснеть ни перед заказчиком проекта, ни перед конечным потребителем разработанного вами изделия.

Одним из таких проверенных временем брендов является компания TRACO Electronic, которая в декабре 2016 г. выпустила на рынок линейку высококачественных преобразователей телекомовского направления TEL 8 мощностью 8 Вт [6], которые выпускаются под торговой маркой TRACO POWER (рис. 7).

Рис. 7. Серия TEL 8 изолированных 8-Вт DC/DC-преобразователей компании TRACO Electronic

Данные преобразователи отличаются не только высокими техническими характеристиками и малыми габаритами, но и высокой надежностью (не менее 1 млн ч), диэлектрической прочностью изоляции (1800 В/1 с и 1500 В/60 с), высокой точностью установки номинального выходного напряжения (±2%) и его стабильностью (0,8% при изменении входного напряжения во всем диапазоне и 1% во всем диапазоне нагрузок — от нуля до максимальной), развитой защитой от перегрузок (150%) с самовосстановлением (hiccup), недопустимо низкого входного напряжения и электростатики на уровне требований стандарта EN 61000-4-2 (по воздуху ±8 кВ, контакт ±6 кВ). Преобразователи серии TEL 8 отвечают требованиям по электромагнитной совместимости и устойчивы к воздействию внешних помех с напряженностью поля до 10 В/м (стандарт EN 61000-4-3). Преобразователи выполнены в металлических алюминиевых корпусах и, что немаловажно, с уже встроенным фильтром подавления электромагнитных помех по нормам стандарта EN55022 Класс A. Диапазон рабочих температур преобразователей серии TEL 8 –40… +80 °C с максимальной температурой корпуса до +105 °C. Преобразователи могут использоваться в аппаратуре, работающей на высоте до 4 000 м над уровнем моря, имеют все необходимые сертификаты по безопасности и выполняют требования Директивы RoHS. Основные электрические параметры, позволяющие сделать предварительный выбор нужного преобразователя, приведены в таблице. Полные данные преобразователей серии TEL 8 компании TRACO Electronic и ссылки для получения сертификатов доступны непосредственно в их спецификации [6].