Utiliser des convertisseurs CC/CC isolés avec transformateurs intégrés pour faciliter l'assemblage

Dans l'optique de réduire les coûts et l'espace, les convertisseurs CC/CC monolithiques constituent une bonne solution pour de nombreuses applications à haut volume, mais ils ne peuvent pas être utilisés dans les conceptions qui nécessitent une isolation électrique entre l'entrée et la sortie de l'alimentation. Les dispositifs médicaux en sont un bon exemple. En général, des alimentations isolées montées sur carte peuvent être utilisées à la place, mais celles-ci reposent sur un transformateur pour atteindre l'isolation électrique requise, ce qui réduit le rendement et augmente le coût, la taille et le poids de la solution. Le transformateur introduit également une variabilité dans les performances du convertisseur CC/CC et rend difficile l'assemblage automatisé à haut volume.

Pour relever nombre de ces défis, les concepteurs peuvent se tourner vers des modules de convertisseurs CC/CC isolés où le transformateur est intégré dans le substrat du convertisseur.

Cet article explique les circonstances qui requièrent l'utilisation de convertisseurs CC/CC isolés. Il présente ensuite des exemples de solutions de Murata Electronics et décrit comment ces solutions peuvent être utilisées pour réaliser l'isolation sans les compromis de conception majeurs généralement associés aux convertisseurs CC/CC isolés basés sur des transformateurs. L'article explique également comment le boîtier du convertisseur répond au besoin d'assemblage en surface automatisé de haut niveau, et montre comment intégrer les convertisseurs CC/CC isolés dans des produits avec une ondulation minimale de la tension et du courant et des interférences électromagnétiques (EMI) réduites.

Quand utiliser un convertisseur isolé

Dans un convertisseur CC/CC classique, un seul circuit régulateur permet au courant de circuler directement de l'entrée à la sortie. Cela permet de réduire la complexité, la taille et le coût. Mais il existe de nombreuses applications qui exigent une isolation galvanique (appelée « isolation » dans la suite du document) pour séparer électriquement les côtés entrée et sortie du dispositif. Par exemple, les exigences de sécurité peuvent dicter l'utilisation d'un convertisseur CC/CC isolé — utilisant un transformateur (ou dans certains cas des inductances couplées) pour transférer la tension et le courant dans l'espace entre les côtés entrée et sortie — en particulier si le côté entrée est connecté à des tensions qui sont suffisamment élevées pour mettre en danger les humains. Les convertisseurs CC/CC isolés sont également utiles pour rompre les boucles de masse, séparant ainsi les parties d'un circuit qui sont sensibles au bruit des sources de ce bruit (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison d'un convertisseur CC/CC de base non isolé (en haut) et d'une version isolée (en bas) utilisant un transformateur pour l'isolation galvanique. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Une autre caractéristique d'un convertisseur CC/CC isolé est une sortie flottante. Bien que de tels convertisseurs fournissent une tension fixe entre les bornes de sortie, ils ne présentent pas de tension définie ou fixe par rapport aux niveaux de tension des circuits dont ils ont été isolés (c'est-à-dire qu'ils sont « flottants »). Il est possible de connecter la sortie flottante d'un convertisseur CC/CC isolé à un nœud de circuit du côté sortie pour fixer sa tension, ce qui permet ensuite de décaler ou d'inverser la sortie par rapport à un autre point situé dans le circuit du côté sortie. En raison de la séparation des circuits d'entrée et de sortie, le concepteur doit s'assurer que les deux circuits ont leurs propres références de masse.

La fiche technique d'un convertisseur CC/CC donné indique généralement sa tension d'isolement — la valeur maximum pouvant être appliquée pendant un temps défini (court) sans que le courant ne vienne combler l'écart. De plus, la fiche technique détaille la tension de fonctionnement maximum pouvant être supportée en continu sans rupture de l'isolation.

L'isolation implique certains compromis. Premièrement, les convertisseurs isolés ont tendance à être plus chers parce que le transformateur (généralement personnalisé) est plus cher que l'inductance équivalente (prête à l'emploi) utilisée dans la version non isolée. Plus l'isolation requise est importante, plus le coût est élevé.

Deuxièmement, les convertisseurs CC/CC isolés ont tendance à être plus volumineux que les versions non isolées ; le transformateur est généralement plus grand que l'inductance équivalente et l'inductance a tendance à fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées, ce qui réduit davantage sa taille par rapport au transformateur.

Troisièmement, le rendement, la régulation et la répétabilité des performances de composant à composant des convertisseurs CC/CC isolés ont tendance à être inférieurs à ceux des convertisseurs non isolés. Le transformateur introduit certaines inefficacités par rapport à une inductance, et la barrière galvanique empêche la sortie d'être directement détectée et étroitement contrôlée pour de meilleures performances transitoires et de régulation. Parce qu'ils sont plus petits, les convertisseurs CC/CC non isolés peuvent être placés près de la charge pour réduire les effets de ligne de transmission et augmenter davantage le rendement. De plus, comme le transformateur dans les convertisseurs isolés est généralement un dispositif personnalisé, il n'y a pas deux dispositifs qui fournissent exactement le même rendement.

Enfin, ce transformateur peut également entraver un processus d'assemblage à haut volume efficace. Comme le profil du convertisseur CC/CC isolé avec un transformateur le rend impropre à l'assemblage automatisé, il est nécessaire de l'ajouter manuellement au circuit imprimé.

Sélection de convertisseurs CC/CC isolés

Si l'application du concepteur exige l'isolation pour des raisons de sécurité ou autres, il faut alors tenir compte des compromis décrits précédemment. Une recherche de composants minutieuse peut révéler des solutions plus récentes, conçues pour minimiser l'impact des compromis de conception.

Par exemple, Murata a récemment lancé ses convertisseurs CC/CC isolés séries NXE (Figure 2) et NXJ2. Ils sont conçus pour répondre à certains des défis traditionnels posés par les convertisseurs CC/CC isolés.

Figure 2 : Les convertisseurs CC/CC isolés NXJ2 et NXE (illustrés) de Murata incluent un transformateur intégré dans le substrat des composants pour réduire la taille du produit. (Source de l'image : Murata Electronics)

La série NXE offre jusqu'à 2 watts (W) avec des options d'entrée de 5 volts (V) et 12 V et des options de sortie de 5 V, 12 V et 15 V. Le courant d'entrée et de sortie varie en fonction de la tension, mais s'étend de 542 milliampères (mA) (entrée)/400 mA (sortie) pour le produit 5/5 V à 205/133 mA pour le produit 12/15 V. La gamme de produits offre des fréquences de commutation de 100 kilohertz (kHz) à 130 kHz selon le modèle.

De même, la série NXJ2 est une conception de 2 W avec des options d'entrée de 5 V, 12 V et 24 V et des options de sortie de 5 V, 12 V et 15 V. Le courant d'entrée et de sortie s'étend de 550 mA (entrée)/400 mA (sortie) pour le produit 5/5 V à 105/133 mA pour le produit 24/15 V. Les produits présentent des fréquences de commutation de 95 kHz à 140 kHz.

Les convertisseurs CC/CC isolés de Murata relèvent les défis de la fabrication automatisée en intégrant le transformateur dans le substrat du dispositif. Le transformateur est formé de couches alternées de FR4 — composite époxy renforcé de fibre de verre souvent utilisé comme base pour les circuits imprimés — et de cuivre pour créer les enroulements autour du noyau intégré. La construction du transformateur intégré est destinée à favoriser la dissipation de chaleur et à améliorer la répétabilité des performances entre les composants.

Il en résulte un boîtier extra-plat (moins de 4,5 millimètres (mm) de hauteur), compact (15,9 mm x 11,5 mm pour les versions 5 V et 12 V, et 16 mm x 14,5 mm pour la version 24 V), adapté au conditionnement en bande et bobine, pouvant être saisi par la buse d'aspiration d'une machine de placement automatisé (Figure 3).

Figure 3 : Les convertisseurs CC/CC isolés NXE sont logés dans un boîtier compact qui peut être disponible en bande et en bobine et placé sur le circuit imprimé par un équipement d'assemblage automatisé. (Source de l'image : Murata Electronics)

La conception à transformateur intégré permet d'obtenir de bonnes performances électriques par rapport à d'autres conceptions isolées. Les convertisseurs CC/CC isolés fonctionnent typiquement dans la plage de rendement de 55 % à 85 % à pleine charge. Les séries NXE et NXJ2 présentent un rendement d'environ 72 % à une charge de 100 % avec une sortie de 5 V, passant à 76 % pour une sortie de 15 V, et à 78 % pour une sortie de 24 V.

Les convertisseurs CC/CC isolés n'offrent généralement pas la régulation précise typique des produits non isolés car ils n'ont pas de boucle de rétroaction électrique entre la sortie et l'entrée. Pour la série NXE, la régulation de ligne est de 1,15 %/% et la régulation de charge est comprise entre 7 % et 11 %. La régulation de ligne du NXJ2 est de 1 %/% typ. pour une entrée de 24 V et de 1,1 %/% typ. pour tous les autres types d'entrée. La précision du point de consigne de la tension dépend du courant de charge de sortie et du dispositif NXE ou NXJ2 sélectionné. Par exemple, la solution à entrée de 12 V/sortie de 15 V NXE2S1215MC présente une variation de -2 % à -6 % par rapport au point de consigne à plein courant de charge de sortie (Figure 4).

Figure 4 : Les convertisseurs CC/CC isolés n'offrent pas la régulation précise typique des convertisseurs CC/CC non isolés. La précision du point de consigne de la tension varie en fonction du courant de charge de sortie. Cet exemple montre la précision de la tension de sortie par rapport au point de consigne pour différentes charges pour le NXE2S1215MC, le convertisseur CC/CC isolé à entrée de 12 V/sortie de 15 V de Murata. (Source de l'image : Murata Electronics)

Comprendre les spécifications

La séparation électrique de l'entrée et de la sortie est souvent une exigence réglementaire. Il est donc important pour l'ingénieur de comprendre ce que les réglementations exigent pour une conception donnée. Cela peut s'avérer difficile car les informations peuvent être confuses.

Par exemple, les normes réglementaires spécifient séparément l'isolation requise pour un composant et l'isolation requise pour un produit final — et elle est différente pour chacun. Ainsi, par exemple, la fiche technique d'un composant peut indiquer que le dispositif peut supporter une tension de test d'isolement de 2,5 kilovolts (kV) CA à 5 kVCA et qu'il respecte la norme de produit CEI 60950-1, alors que ce qui est plus important pour le concepteur est que la tension de fonctionnement de l'isolateur est, par exemple, de 150 VCA à 600 VCA et qu'il respecte la norme de composant CEI 60747-5-5.

Il convient également de faire attention à la terminologie utilisée pour décrire les niveaux d'isolation. « Basique » (Basic) correspond à une seule couche d'isolation et « double » (Double) correspond à deux couches ; « renforcé » (Reinforced) est un système d'isolation simple qui est équivalent à double. Les normes partent du principe qu'une seule défaillance peut se produire dans une couche d'isolation, de sorte qu'un produit avec une deuxième couche d'isolation offrira toujours une protection. Il est important de noter que lorsqu'un composant est défini comme « basique » dans une norme de composant, il est classifié comme inadéquat pour la protection de sécurité.

Un autre aspect important des performances d'isolation d'un composant est son dégagement et sa fuite en surface. Le dégagement est la distance la plus courte entre deux circuits de composants dans l'air, tandis que la fuite en surface est la distance la plus courte sur une surface.

La meilleure façon pour un concepteur de s'assurer des performances d'un isolateur est de vérifier que l'isolateur est doté des certifications VDE et UL (Underwriters Laboratory) et d'obtenir une copie des certificats réels du fabricant de l'isolateur.

Dans le cas des séries NXE et NXJ2, où le FR4 fournit la barrière galvanique entre les enroulements primaires et secondaires du convertisseur, chaque composant a été testé à 3 kVCC pendant une seconde, la qualification des échantillons étant testée à 3 kVCC pendant une minute. La résistance d'isolation est mesurée à 10 gigaohms (GΩ) à une tension de test de 1 kVCC.

Les séries NXE et NXJ2 sont classifiées UL selon ANSI/AAMI ES60601-1 et fournissent un MOOP (moyens de protection de l'opérateur) basé sur une tension de fonctionnement de 250 Vrms max., entre les bobines primaires et secondaires. UL classifie également les convertisseurs CC/CC selon UL 60950 pour une isolation renforcée jusqu'à une tension de fonctionnement de 125 V_rms. La fuite en surface pour les dispositifs est de 2,5 mm et le dégagement est de 2 mm.

Réduction de l'ondulation de sortie et CEM

Les convertisseurs de tension à découpage présentent toujours des défis de conception liés à l'ondulation de la tension et du courant, générée par les éléments de commutation. Les convertisseurs CC/CC isolés ne font pas exception.

Sans circuits de filtrage de sortie, l'ondulation de sortie typique des convertisseurs CC/CC NXE est d'environ 55 millivolts (mV) crête à crête (p-p) et atteint un maximum de 85 mVp-p. Les valeurs correspondantes pour la série NXJ2 sont 70 mVp-p et 170 mVp-p. Si ces valeurs sont acceptables pour de nombreuses applications, d'autres exigent une sortie plus stable.

Le circuit de filtrage de sortie illustré à la Figure 5 peut être utilisé pour réduire considérablement l'ondulation du courant et de la tension de sortie. Les valeurs d'inductance (L) et de condensateur (C) varient en fonction des tensions d'entrée et de sortie du convertisseur CC/CC ; mais par exemple, le produit (entrée de 12 V/sortie de 5 V) NXE2S1205MC de Murata requiert une inductance de 22 microhenrys (µH) et un condensateur de 10 microfarads (µF). L'effet du circuit de filtrage de sortie est de réduire l'ondulation du courant et de la tension de sortie à un maximum de 5 mVp-p.

Figure 5 : Ce circuit de filtrage de sortie simple avec des valeurs L et C appropriées peut réduire l'ondulation du courant et de la tension de sortie du convertisseur CC/CC isolé d'un ordre de grandeur. (Source de l'image : Murata Electronics)

Pour des résultats optimaux, la résistance série équivalente (ESR) du condensateur doit être aussi faible que possible, et la tension nominale doit être au moins deux fois supérieure à la tension de sortie nominale du convertisseur CC/CC isolé. Pour l'inductance, le courant nominal ne doit pas être inférieur à celui de la sortie du convertisseur CC/CC. Au courant nominal, la résistance CC de l'inductance doit être telle que la chute de tension dans l'inductance est inférieure à 2 % de la tension nominale du convertisseur CC/CC.

Un circuit de filtrage d'entrée peut être ajouté aux séries NXE et NXJ2 pour atténuer les interférences électromagnétiques, comme illustré à la Figure 6. Là encore, les valeurs de L et C varient en fonction des tensions d'entrée et de sortie du convertisseur CC/CC ; mais par exemple, le produit NXE2S1215MC (entrée de 12 V/sortie de 15 V) de Murata nécessite une inductance de 22 µH et un condensateur de 3,3 µF.

Figure 6 : Ce circuit de filtrage d'entrée simple avec des valeurs L et C appropriées peut permettre de réduire les émissions EMI du convertisseur CC/CC isolé en dessous des valeurs requises par les limites de la norme EN 55022. (Source de l'image : Murata Electronics)

Comme le montre la Figure 7, l'effet du filtrage permet aux convertisseurs CC/CC isolés de Murata de respecter la limite CEM quasi-crête de la norme EN 55022 courbe B. Un dispositif émettant des interférences électromagnétiques doit améliorer ces limites pour respecter la directive 2014 sur la compatibilité électromagnétique de l'Union européenne.

Figure 7 : Le circuit de filtrage d'entrée illustré à la Figure 6 a pour effet de réduire les émissions EMI du convertisseur CC/CC isolé (NXE2S1215MC, dans cet exemple) en dessous des limites imposées par la directive CEM de l'UE. (Source de l'image : Murata Electronics)

Pour en savoir plus sur la conception d'un circuit de filtrage pour les convertisseurs CC/CC, consultez l'article technique de DigiKey, relatif à l'importance de la sélection d'un condensateur pour la conception d'un régulateur de tension approprié.

Conclusion

Les convertisseurs CC/CC isolés jouent un rôle essentiel lorsque des réglementations ou des considérations de sécurité exigent la séparation électrique des tensions d'entrée et de sortie. Cependant, l'isolation à l'aide d'un transformateur peut entraîner des compromis de conception, notamment en matière de coût, de taille, de variabilité des performances et de difficultés d'assemblage.

Les ingénieurs doivent être conscients de ces compromis et concevoir des produits en conséquence. Par exemple, les convertisseurs CC/CC isolés ne disposent généralement pas de la boucle de rétroaction qui permet une régulation précise des produits non isolés, de sorte que les tensions de sortie peuvent varier plus largement avec la charge par rapport au point de consigne qu'avec ces derniers composants.

Comme illustré, il existe des solutions CC/CC qui, au lieu d'utiliser un transformateur coûteux et encombrant monté sur carte, utilisent des couches alternées de FR4 et de cuivre pour constituer un transformateur intégré dans le substrat du convertisseur. Il en résulte un dispositif compact et plus économique qui présente une meilleure répétabilité des performances électriques entre les composants et qui peut être manipulé par des machines de placement automatisé. Ces convertisseurs CC/CC isolés répondent également aux normes applicables en matière d'isolation haute tension et de tests d'isolation.