Een geïsoleerde of een niet-geïsoleerde DC-DC-converter?

Ontwerpers moeten voor de stroomvoorziening van elektronische systemen vaak de keuze maken tussen een geïsoleerde of een niet-geïsoleerde converter. Beide opties hebben hun voor- en nadelen op het gebied van veiligheid, rendement, systeemcomplexiteit en ontwerpflexibiliteit. Dit artikel gaat in op de factoren waarmee ontwerpers rekening moeten houden bij de keuze tussen geïsoleerde en niet-geïsoleerde DC-DC-converters.

Door: Giulio Bocciolini, Product Marketing Manager Modular & Configurable Products EMEA, TDK-Lambda

Moderne elektronica wordt steeds complexer. Productontwikkelaars staan voor de taak om voedingsoplossingen te ontwerpen voor afzonderlijke belastingen met unieke spannings- en stroomkarakteristieken, terwijl ze tegelijkertijd er voor moeten zorgen dat het rendement en de kosteneffectiviteit verbetert. De keuze voor een DC-DC-converter is een fundamentele ontwerpbeslissing voor isolatie of geen isolatie, met gevolgen voor het gehele systeemontwerp, van veiligheid en ruis tot afmetingen, gewicht en kosten.

Galvanische isolatie

Het verschil tussen geïsoleerde en niet-geïsoleerde converters ligt in het concept van galvanische isolatie, waarbij twee delen van een circuit fysiek en elektrisch van elkaar worden gescheiden. Een geïsoleerde DC-DC-converter maakt gebruik van een transformator om vermogen over te brengen tussen de ingangs- en uitgangstrappen. Er is geen elektrisch geleidingspad tussen de twee zijden; in plaats daarvan wordt energie via een magnetisch veld over een isolatiebarrière overgedragen. Hierdoor ontstaan twee galvanisch gescheiden circuits, elk met een eigen elektrische referentie. Deze barrière is de sleutel tot de belangrijkste voordelen van een geïsoleerde converter: veiligheid, onderdrukking van elektrische ruis en ontwerpflexibiliteit.

Een niet-geïsoleerde DC-DC-converter heeft daarentegen een direct elektrisch pad en een gedeelde elektrische referentie tussen de ingang en uitgang. Deze directe verbinding heeft niet de voordelen van isolatie op het gebied van veiligheid en ruisonderdrukking, maar maakt wel een eenvoudiger, compacter en vaak aanzienlijk efficiënter ontwerp mogelijk. De magnetische componenten die isolatie mogelijk maken, zijn omvangrijk, zwaar en kostbaar. Ze dragen ook bij aan diverse mechanismen van energieverlies in een stroomomzettingssysteem.

Kortom: de isolatiebarrière biedt ongeëvenaarde veiligheid en ruisimmuniteit, maar gaat gepaard met grotere afmetingen, hoger gewicht, grotere complexiteit en een hogere prijs. Aan de andere kant biedt een niet-geïsoleerde converter superieure prestaties op het gebied van rendement, vermogensdichtheid en kosten, maar kan alleen worden gebruikt wanneer de systeemarchitectuur geen isolatie vereist.

Argumenten voor isolatie

De keuze voor een geïsoleerde DC-DC-converter wordt doorgaans ingegeven door eisen op het gebied van veiligheid, immuniteit tegen elektrische ruis of functionele flexibiliteit waaraan een niet-geïsoleerde converter simpelweg niet kan voldoen.

De meest dwingende reden om voor een geïsoleerde converter te kiezen, is veiligheid. In elk systeem waar de stroomconverter is aangesloten op een gevaarlijke spanning, zoals het lichtnet of een hoogspannings-DC-bus, is een galvanische scheiding een absolute vereiste om operators, gebruikers en nageschakelde elektronica te beschermen tegen potentieel gevaarlijke energieniveaus. Als er een storing optreedt aan de hoogspannings-primaire zijde kan de gevaarlijke spanning niet doordringen naar de toegankelijke laagspannings-secundaire zijde.

Strenge eisen

In medische toepassingen die onder IEC 60601-1 vallen, zijn de isolatie-eisen bijzonder streng. Er zijn hogere beschermingsniveaus vereist wanneer de veiligheid van de patiënt in het geding is. Tegelijkertijd kan elektrische ruis in hoogprecieze instrumentatie, audiosystemen en test- en meetapparatuur gevoelige signalen verstoren en de prestaties verminderen. Een veelvoorkomende bron van deze ruis is een aardlus, die ontstaat wanneer onderling verbonden apparaten verschillende aardpotentialen hebben, waardoor een ruisstroom door de aardverbinding wordt gestuurd. Een geïsoleerde converter is een krachtig hulpmiddel om deze aardlussen te doorbreken. Door een subsysteem via een geïsoleerde converter van stroom te voorzien, wordt de gelijkstroom-aardverbinding tussen circuits geëlimineerd, waardoor deze ruisbron wordt onderdrukt.

Complexe systemen

In complexe systemen, zoals industriële procesregelaars, werken verschillende subsystemen vaak met hun eigen lokale referentiemassa. Het voeden van deze subsystemen vanuit een gemeenschappelijke, niet-geïsoleerde bron kan onbedoelde stroompaden veroorzaken. In systemen met hoge transiënte belastingen, zoals pompen en motoren, kunnen ook tijdelijke aardpotentiaalverschillen ontstaan wanneer stroom door aardimpedanties vloeit. Geïsoleerde converters stellen elk subsysteem in staat zijn eigen referentiemassa te behouden terwijl het stroom ontvangt vanuit een centrale bron.

Ten slotte biedt het zwevende karakter van de uitgang van een geïsoleerde converter waardevolle flexibiliteit bij het systeemontwerp. Een belangrijke toepassing is het genereren van een negatieve uitgangsspanning vanuit een positieve ingang. Door de positieve uitgangsklem van een geïsoleerde converter aan te sluiten op de primaire massa van het systeem, krijgt de negatieve uitgangsklem een negatief potentiaal ten opzichte van die massa. Deze techniek wordt vaak gebruikt om de -48 V voeding te genereren die in veel telecommunicatiesystemen vereist is, waardoor een speciale converter met negatieve uitgang overbodig wordt.

Voordelen van niet-geïsoleerde converters

Isolatie is in bepaalde scenario’s cruciaal, maar kan voor andere toepassingen overbodig zijn, wat bovendien extra kosten met zich meebrengt. In die gevallen is een niet-geïsoleerde converter een betere keuze, omdat deze aanzienlijke voordelen biedt op het gebied van prestaties, afmetingen, gewicht, vermogen en kosten (SWaP-C).

In veel systemen wordt de beslissing over isolatie op architectuurniveau genomen. Een populaire aanpak is de gedistribueerde stroomarchitectuur (DPA). In een DPA zorgt één enkele, gecentraliseerde AC-DC- of krachtige DC-DC-converter voor de belangrijkste veiligheidsisolatie ten opzichte van het AC-net en genereert een gereguleerde tussenliggende DC-busspanning (bijvoorbeeld 24 V of 48 V). Omdat deze front-end-converter al de nodige veiligheidsisolatie voor het gehele systeem heeft verzorgd, hoeven nageschakelde converters doorgaans niet verder te worden geïsoleerd. Hierdoor kunnen ontwerpers gebruikmaken van kleine, zeer efficiënte en goedkope niet-geïsoleerde converters die fysiek dicht bij de componenten staan die ze van stroom voorzien, waarbij de sterke punten van beide soorten converters worden benut.

SWaP-C

Voor toepassingen waarbij SWaP-C het belangrijkste ontwerpdoel is, zijn niet-geïsoleerde converters de voor de hand liggende keuze. De belangrijkste reden voor hun voordeel is het vervallen van componenten, zoals de scheidingstransformator. De elektrische afstanden die door diverse veiligheidsnormen worden vereist, nemen toe naarmate de maximale spanning in het ontwerp hoger is. Vaak werken schakelingen die geschikt zijn voor een niet-geïsoleerde voedingstopologie bij lagere maximale spanningen, wat resulteert in kleinere elektrische afstanden en een in het algemeen compacter ontwerp. Dit maakt niet-geïsoleerde converters tot de standaardoplossing voor batterijgevoede mobiele apparaten, commerciële drones, autonome mobiele robots en lucht- en ruimtevaarttoepassingen, waar elke gram en elke kubieke centimeter telt.

Niet-geïsoleerde converters bieden bovendien een superieur omzettingsrendement. Door de transformator en de daarmee gepaard gaande verliezen weg te laten, kan het rendement oplopen tot 97% of 98%. Een hoog rendement betekent dat er minder energie in het voedingssysteem in warmte wordt omgezet, wat het thermisch beheer vereenvoudigt en de betrouwbaarheid van het systeem verbetert. Deze hogere rendementen verlengen ook de levensduur van de batterij in batterijgevoede toepassingen.

Vanuit ontwerpersperspectief bieden niet-geïsoleerde topologieën een krachtig instrumentarium. Veelvoorkomende topologieën in deze klasse zijn de buck- (step-down) en boost- (step-up) converters. Voor ultieme flexibiliteit, met name in batterijgevoede systemen met sterk variërende ingangsspanningen, kan de vier-schakelaar buck-boost-converter naar behoefte als buck- of boost-converter functioneren. Dit garandeert een stabiele uitgangsspanning gedurende de gehele ontlaadcyclus van de batterij.

Veel niet-geïsoleerde converters zijn ontworpen met zeer brede ingangs- en instelbare uitgangsspanningsbereiken. Hierdoor kan één enkel onderdeelnummer voor meerdere producten worden gebruikt of kunnen verschillende uitgangsspanningen worden gegenereerd, wat de stuklijst (BOM) vereenvoudigt, de inkoop stroomlijnt en de ontwikkeling versnelt. In elk systeem waar de ingangsbron en de last al een gemeenschappelijke massa delen, bieden de extra kosten en complexiteit van een geïsoleerde converter weinig tot geen meerwaarde. Dit maak een niet-geïsoleerde topologie de logische en meest efficiënte keuze.

Afwegingen voor de juiste keuze

Er is geen eenduidige ‘beste’ oplossing als het gaat om de keuze tussen geïsoleerde en niet-geïsoleerde DC-DC-converters. De optimale keuze hangt volledig af van de specifieke behoeften van de toepassing. Een logisch afwegingskader voor deze beslissing is als volgt: 

• Is veiligheidsisolatie verplicht? Als het systeem wordt gevoed vanuit een gevaarlijke spanning of moet voldoen aan normen zoals IEC 60601-1, dan is galvanische isolatie vereist.
• Als isolatie vereist is, waar kan deze dan het beste worden geplaatst? Voor systemen met meerdere uitgangsspanningen is een DPA vaak de betere keuze. Een enkele, gecentraliseerde geïsoleerde converter kan de primaire veiligheidsbarrière vormen, waardoor het gebruik van kleinere, efficiëntere niet-geïsoleerde converters voor de laatste spanningsomzettingsstappen mogelijk wordt.
• Zijn er functionele behoeften aan isolatie? Als het systeem geen veiligheidsisolatie vereist, overweeg dan of het nodig is om een aardlus te onderbreken of een negatieve voedingsrail te genereren. Zo ja, dan is een geïsoleerde converter wellicht een betere keuze.
• Als het antwoord op alle drie bovenstaande vragen ‘nee’ is, kies dan standaard voor een niet-geïsoleerde converter. Als er geen verplichte veiligheids- of specifieke functionele vereisten voor isolatie zijn, zou een niet-geïsoleerde converter de standaardkeuze moeten zijn vanwege de voordelen op het gebied van rendement, vermogensdichtheid, afmetingen, gewicht en kosten.

Conclusie

Uiteindelijk komt het ontwerp van een voedingssysteem neer op het correct identificeren en prioriteren van de meest kritieke prestatieparameters voor de eindtoepassing. Dat maakt de beslissing over isolatie een strategische keuze in plaats van een puur technische. Bekijk hier het assortiment geïsoleerde en niet-geïsoleerde DC-DC-converters van TDK-Lambda.

Dossiers

• 
  (Not) Safe for Designers?
• 
  PCB-ontwerp en productie
• 
  Wim van der Hoek Award